泄水建筑物出流与下游衔接和消能

1. 泄水建筑物出流与下游衔接和消能

2. 泄水建筑物出流与下游 衔接和消能 (水流衔接，简答题) MF2Hs0b2***

3. 泄水建筑物下游水流的衔接形式，即水跃发生的位置取决于建筑物下游收缩断面水深hc的共轭水深 与下游水深ht 的相对关系。存在3种情况： (1) 当下游水深ht＝ ：这时水跃发生在收缩断面，如图（a）所示，这种衔接为临界水跃衔接。 2 c hc h t= hc" L1 c 2 ht = hc" (a) 题 目 试叙述泄水建筑物下游的水流衔接形式及其产生的条件 答：

4. (2) 当ht < ：这时下游水深ht 与构不成共轭水深，水跃不能发生在收缩断面。由于跃后水深为ht，跃前水深h1 应大于hc。于是从收缩断面水流以c1型壅水曲线向下游延续，至水深等于ht的共轭水深h1处,水跃在此发生，如图(b) 所示，称为远驱式水跃衔接。 2 1 c h1 hc" ht hc L1 L 2 c 1 ht < hc" (b) 解题步骤

5. (3)当 ht > : 这种情况与(2) 正好相反。水跃被水深较大的下游水流向上推移，收缩断面被淹没，从而形成了淹没水跃衔接，如图(c)所示。 2 c ht hc" c 2 ht >hc" (c) 令σj =ht/ ，称为水跃淹没系数，用来判别建筑物下游水流的衔接形式，即 解题步骤

6. 解题步骤 当σj= 1时，为临界水跃式衔接； 当σj < 1时，为远驱水跃式衔接； 当σj > 1时，为淹没水跃式衔接。 实验研究表明，临界水跃消能率最高，但不稳定。远驱式水跃消能率降低，而且下游存在一定长度的急流段，对建筑物的安全不利。淹没式水跃的淹没系数σj> 1.2 时，淹没水跃的消能率低于相同弗汝德数的自由水跃，且水跃长度大于自由水跃。

7. 解题步骤 综上所述，远驱水跃衔接最为不利，工程中应该避免；临界水跃衔接不稳定；而淹没度不大(σj =1.05～1.10)的淹没水跃衔接最为理想。

8. 泄水建筑物出流与下游 衔接和消能 (消能形式，简答题) MF2Hs0b3***

9. 题 目 试叙述泄水建筑物下游泄流消能的形式、水流特征和适用条件； 答： 泄水建筑物下游泄流消能形式主要有3种：即底流消能、挑流消能和面流消能，另外还有戽流消能。 (1) 底流消能(即水跃消能)：底流消能就是在建筑物下游修建消能池控制水跃发生的位置，减小急流范围，并利用水跃消除水流多余的能量，使水流安全地与下游缓流衔接，见图1所示。

10. (b) 图1 (a) 解题步骤 底流消能的主流位于河床底部，表面为急剧翻腾的旋滚，通过旋滚的强烈摩擦紊动掺混，消耗水流多余的能量。底流消能方式大多应用于中、低水头及地质条件较差的泄水建筑物下游。 (2)挑流消能：挑流消能是利用修建在泄水建筑

11. 冲刷坑 图2 解题步骤 物末端的反弧挑坎，将下泄水流挑入空中，使之落入下游距泄水建筑物较远的下游河道，如图2所示。挑射水流在空中受到空气阻力，水舌紊动、扩散、掺气，消耗一部分能量，落入下游河道后与水体碰撞产生剧烈的混掺紊动，冲刷河床，消耗大量的能量，从而达到消能 目的。挑流消能多用于 高水头、下游河床地质 条件好的建筑物下游消 能。

12. 主流 底部旋滚 图3 解题步骤 (3)面流消能：当下游水流较深而且较稳定时，常将建筑物末端做成水平垂直跌坎，跌坎顶部低于下游水位，如图3 所示。下泄的水流被送到下游水流表层，底部形成巨大的旋滚，表层主流在垂直方向逐渐扩散，并与下游水流衔接。其消能是在 底部旋滚和表层主流扩散的过程中实现的。因为主流位于表层，故称为面流消能与衔接。

13. 涌浪 戽内旋滚 消力戽 底部旋滚 图4 解题步骤 (4) 戽流消能：这是底流消能与面流消能的组合形式，其挑坎的挑角较大，典型的水流特征为三滚一浪，即在水流出挑坎后形成涌浪，涌浪的前后和底部形成三个旋滚，通过强烈的旋滚和涌浪消耗水流大量多余能量。见图4。戽流消能方式在工程中较少采用。

14. 泄水建筑物出流与下游 衔接和消能 （挖深式消能池计算） MF2Hs0b4***

15. 某WES 堰,顶设计水头Hd=3.2m，设计水头下溢流堰流量系数md =0.502, 流速系数 为0.95，上下游堰高均为30m,下游水深ht = 4.6m。 H p1 ht 题　　目 （1）不考虑侧收缩影响，求通过溢流堰的单宽设计流量q ； （2）判断通过设计流量时，堰下游水流衔接形式，若需要建消能工，则进行挖深式消能池的水力计算。

16. 为了判断溢流坝下游水流衔接形式，先计算下游收缩水深 及其共轭水深 。可用查图法或迭代法。 解法一：采用查图法计算 及 解题步骤 解： 1. 判断溢流坝下游水流衔接形式 （1）计算堰顶水头作用下通过溢流堰的单宽流量 当不计侧向收缩影响及行进流速水头时，由实用堰流量公式可得

17. 解题步骤 H 于是 p1 ht 因下游水位低于堰顶，溢流堰为自由出流。取淹没系数σs= 1.0 。 　　　　　　

18. 对于矩形断面有 ，故 H0 E0 p2 ht 解题步骤 （2）计算临界水深hk （3）计算以下游收缩断面底部水平面为基准的总水头E0

19. （4） 查图计算 及 由 及参变量 解题步骤 因为溢流坝较高，行近流速水头可以忽略不计。 查矩形断面渠道收缩水深及其共轭水深求解图得

20. 于是收缩水深 hc的共轭水深 解法二：采用迭代法计算 及 H0 E0 p1 ht hc 解题步骤 （1） 以溢流堰下游收缩断面底部为基准，对堰 前断面与下游收缩断面建立能量方程

21. 于是有 即 解题步骤 采用迭代法计算得到 hc＝0.517m

22. 比较查图法与迭代法所求的hc 及 ，可见两者比较吻合。由于查图法易产生误差，建议采用迭代法。 解题步骤 （2）由水跃方程计算hc的共轭水深hc〃

23. H P1 ht d Lk 解题步骤 因为hc= 7.55 m > ht= 4.6 m ，故溢流堰下游为远驱式水跃衔接，需要修建消能池。 　现根据题意要求设计一降低护坦高程的消能池。

24. H P1 ht d Lk 解题步骤 2. 消能池深度 d 的计算 　 首先按池深近似公式估算池深大小，并取淹没系数σj 为1.05,　即 d估=σjhc"－ht = 1.05×7.55m－4.6m = 3.33m 设 d = 3.30m。

25. 解题步骤 Δz E0 c c1 ht hT c d c1 hc1 从上图可见 = E0+ d = 33.2m + 3.3m = 36.5m 于是有 接着计算护坦降低 d 值后的收缩断面水深 hc1。

26. 式中 为消能池出口流速系数，一般取0.95。 解题步骤 由迭代法求得 hc1= 0.492m 利用水跃方程求得hc1的共轭水深 下面，计算消能池出口处水面跌落△z。通过对消能池出口上游断面及下游断面建立能量方程推得

27. 解题步骤 于是 代入池深d计算式 有 小于前设的 d =3.3m。 又设d =3.25m，求得相应的各值为

28. = 36.45m ， hc1= 0.492 m = 7.76 m , △z = 0.29 m 解题步骤 则 d = 1.05×7.76m－(4.6 + 0.29) m = 3.26m 由此可见，d 计算值与假设值十分接近，故所求池深 d 为3.25m。 3. 消能池池长Lk计算 Lk=(0.7～0.8) Lj

29. 解题步骤 其中，水跃长度 Lj 为 Lk=(0.7 ~ 0.8)×47.31m = 33.11 ~37.85m 故取 Lk= 36m

30. 讨 论 为了建筑物的安全，保证在各种情况下都发生水跃消能，消能池应选取最不利情况对应的流量作为设计流量。从以上计算可见，消能池池深 d随着（）的增加而增大，故选取池深 d 设计流量的方法是： 1. 在实际工程中，堰顶水头 H 及下游水深 ht 往往随着上游来水流量的不同是变化的，那么应如何选取消力池的设计流量？ 根据实际情况，在给定流量范围内，对不同的

31. 流量计算hc及 （即护坦降低前，坝趾断面的收缩水深和跃后水深）。 在直角坐标上绘上 的关系曲线； 同时将已知的关系曲线 也绘在同一坐标上。 ht, ) 图中 为最大值时的相应流量，即为消能池深d 的设计流量，见示意图。 h - ¢ ¢ t h ( c q设 q 讨 论

32. 讨 论 池长Lk 的设计流量根据理论计算与实验量测可知，随着流量Q增加，池长 Lk相应增大，故池长 Lk的设计流量往往取泄水建筑物所通过的最大流量。

33. 泄水建筑物出流与下游 衔接和消能 （消能墙式消能池计算） MF2Hs0b4***

34. 某顺直河道上的溢流坝，溢流宽度等于河宽。已知：坝高P1=P2=8.0m，单宽流量q =6m2/s，溢流坝的流量系数m=0.49，流速系数 =0.95，坝下游河道水深为ht =3.0m,试判断溢流坝下游水深衔接形式，若需要建消能工，试设计一消能墙式消能池。 H P1 ht 题　　目

35. 对于矩形断面有 ，故 为了判断溢流坝下游水深衔接形式，先计算下游收缩水深 及其共轭水深 。可用查图法或迭代法。 解法一：采用查图法计算 及 解题步骤 解： 1. 判断溢流坝下游水流衔接形式 （1）计算临界水深hk

36. H0 E0 P2 hc 解题步骤 （2）计算以下游收缩断面底部水平面为基准的总水头E0

37. 由于 于是 又因为 解题步骤 由已知条件知溢流宽度等于河宽，故取ε1＝1.0 故为自由出流，取σs＝1.0 将已知数据代入上式可得堰顶水头：

38. 故 由 及参变量 于是收缩水深 hc的共轭水深 解题步骤 查矩形断面渠道收缩水深及其共轭水深求解图得

39. 解法二：采用迭代法计算 及 H0 E0 P2 hc 解题步骤 （1） 以溢流堰下游收缩断面底部为基准，对堰 前断面与下游收缩断面建立能量方程 于是有

40. 采用迭代法求得 （2）由水跃方程计算hc的共轭水深 解题步骤 代入已知条件可得

41. 比较查图法与迭代法所求的hc 及 ，可见两者十分吻合。由于查图法易产生误差，建议采用迭代法。 因为 ，故坝下游产生远 驱式水跃衔接，需要修建消能工,如下图所示： H0 P1 ht hc c Lk 解题步骤

42. 解题步骤 H1 ht c 式中 取1.05 由于墙顶水头H1的计算与墙顶流态有关，故先假设消能墙为非淹没堰，即令 ,并取消能墙的流量系数 。则消能墙顶全水头为: 2. 消能墙高度c的计算 根据消能要求，墙高应满足：

43. 解题步骤 于是 故消能墙高

44. H10 E01 ht hc1 c 因为 解题步骤 现在来校核墙后的衔接形式。 由能量方程 于是

45. 取消能墙的流速系数 ，代入其他已知条件，则 由迭代法求得 由水跃方程求得 因为 解题步骤 故墙后为淹没式水跃衔接。

46. 又 所以，墙为淹没堰， 与原假设不符，故消能墙高度必须按淹没堰计算。 H10 ht hc1 c 解题步骤 先假设墙高c＝1.7m。

47. 解题步骤 把消能所要求的墙前水深作为已知水深，即 在所设的墙高情况下，为保证池内产生淹没水跃相应的墙顶全水头为 相应的墙顶全水头为

48. 下面来校核在上述墙顶水头作用下，消能墙能否通过已知的流量 根据 ，查消能墙的淹没 系数表可得： 解题步骤 则

49. 解题步骤 所求得消能墙的过水能力大于已知流量，故初设墙高c＝1.7 m 偏小，需另外假设墙高c 值进行试算。现列表试算如下

50. 解题步骤 从以上结果可见，墙高c＝1.86m 时，消能墙的过水能力与给定流量q十分接近。 故取消能墙墙高为: c＝1.86m 因为消能墙是淹没出流，不需要再校核墙下游水流的衔接状态。 注意：若消能墙为自由出流时，则需要对墙下游水流的衔接状态进行校核计算。若下游为远驱式水跃衔接时，还需要修建第2 道墙，直至达到淹没式水跃为止。