各种堰流各种条件下水力计算解析及实例

宽顶堰流的水力计算如图所示，水流进入有底坎的堰顶后，水流在垂直方向受到堰坎边界的约束，堰顶上的过水断面缩小，流速增大，势能转化为动能。同时堰坎前后产生的局部水头损失，也导致堰顶上势能减小。所以宽顶堰过堰水流的特征是进口处水面会发生明显跌落。从水力学观点看，过水断面的缩小，可以是堰坎引起，也可以是两侧横向约束引起。当明渠水流流经桥墩、渡槽、隧洞〈或涵洞)的进口等建筑物时，由于进口段的过水断面在平面上收缩，使过水断面减小，流速加大，部分势能转化为动能，也会形成水面跌落，这种流动现象称为无坎宽顶堰流，仍按宽顶堰流的方法进行分析、计算。

（一）流量系数宽顶堰的流量系数取决于堰的进口形状和堰的相对高度，不同的进口堰头形状，可按下列方法确定。

1、进口堰头为直角

(8-22)

2、进口堰头为圆角

(8-23)

3、斜坡式进口流量系数可根据及上游堰面倾角由表选取。在公式（8-22）、（8-23）中为上游堰高。当≥3时，由堰高引起的水流垂向收缩已达到相当充分程度，故计算时将不考虑堰高变化的影响，按=3代入公式计算值。由公式可以看出，宽顶堰的流量系数的变化范围在0.32～0.385之间，当=0时，=0.385，此时宽顶堰的流量系数值最大。比较一下实用堰和宽顶堰的流量系数，我们可以看到前者比后者大，也就是说实用堰有较大的过水能力。对此，可以这样来理解：实用堰顶水流是流线向上弯曲的急变流，其断面上的动水压强小于按静水压强规律计算的值，即堰顶水流的压强和势能较小，动能和流速较大，故过水能力较大；宽顶堰则因堰顶水流是流线近似平行的渐变流，其断面动水压强近似按静水压强规律分布，堰顶水流压强和势能较大，动能和流速较小，故过水能力较小。

（二）侧收缩系数宽顶堰的侧收缩系数仍可按公式（8-21）计算。

（三）淹没系数

当堰下游水位升高到影响宽顶堰的溢流能力时，就成为淹没出流。试验表明：当≥0.8时，形成淹没出流。淹没系数可根据由表查出。

无坎宽顶堰流在计算流量时，仍可使用宽顶堰流的公式。但在计算中一般不单独考虑侧向收缩的影响，而是把它包含在流量系数中一并考虑，即

(8-24)

式中为包含侧收缩影响在内的流量系数。可根据进口翼墙形式及平面收缩程度查得。表中为引水渠的宽度，为闸孔宽度，为圆角半径。无坎宽顶堰流的淹没系数可近似由表查得：

例：某进水闸，闸底坎为具有圆角进口的宽顶堰，堰顶高程为22.0m，渠底高程为21.0m。共10孔，每孔净宽8m，闸墩头部为半圆形，边墩头部为流线形。当闸门全开，上游水位为25.50m，下游水位为23.20m，不考虑闸前行近流速的影响，求过闸流量。

解：（1）判断下游是否淹没

=22.0-21.0=1.0m=25.50-21.0=4.5m

=0.34<0.8

为自由出流

(2)求流量系数

=0.36+0.01=0.378

(3)求侧收缩系数

查表8-6得边墩形状系数=0.4，闸墩形状系数=0.45

＝1-0.2[（10-1）0.45＋0.4]=0.949

==0.9490.378108=1212.76m3

例8-11某进水闸，具有直角形的前沿闸坎，坎前河底高程为100.0m，河水位高程为107.0m，坎顶高程为103.0m。闸分两孔，闸墩头部为半圆形，边墩头部为圆角形。下游水位很低，对溢流无影响。引水渠及闸后渠道均为矩形断面。宽度均为20m，求下泄流量为200m3/s时所需闸孔宽度。

解：（1）=107.0-103.0＝4m,

＝＝103.0-100.0＝3m

总水头=+=4+=4.104m

(2)按公式（8-22）求流量系数

=0.32+0.01=0.32+0.01=0.342

因值与闸孔宽度有关，此时未知，初步假定=0.95

则===16.71m

查表得闸墩形状系数=0.45，边墩形状系数=0.7

=1-0.2[(2-1)0.45+0.7]=0.944

此值与原假定的值较接近，现用=0.944再计算值＝=16.8m

此值与第一次成果已很接近，即用此值为最后计算成果，故每孔净宽==8.4m,实际工程中应考虑取闸门的尺寸为整数。实用堰流的水力计算（一）实用堰的剖面形状

实用堰是工程中既可挡水又可泄水的水工建筑物，根据修筑的材料，实用堰可分为两大类型：一是用当地材料修筑的中、低溢流堰，堰顶剖面常做成折线型，称为折线形实用堰。一是用混凝土修筑的中、高溢流堰，堰顶制成适合水流情况的曲线形，称为曲线形实用堰。

曲线型实用堰又可分为真空和非真空两种剖面型式。水流溢过堰面时，堰顶表面不出现真空现象的剖面，称为非真空剖面堰；反之，称为真空剖面堰。真空剖面堰在溢流时，溢流水舌部分脱离堰面，脱离部分的空气不断地被水流带走，压强降低，从而造成真空。由于真空现象的存在，堰面出现负压，势能减少，过堰水流的动能和流速增大，流量也相应增大，所以真空堰具有过水能力较大的优点。但另一方面，堰面发生真空，使堰面可能受到正负压力的交替作用，造成水流不稳定。当真空达到一定程度时，堰面还可能发生气蚀而遭到破坏。所以，真空剖面堰一般较少使用。

一般曲线型实用堰的剖面系由以下几个部分组成：上游直线段，堰顶曲线段，下游直线段及反弧段，如图所示。

上游段常作成垂直的；下游直线段的坡度由堰的稳定和强度要求而定，一般取1:0.65～1:0.75；圆弧半径可根据下游堰高和设计水头由表查得。当<10m时，可采用=0.5;当>9m时，近似用下式计算，式中为设计水头。在工程设计中，一般选用＝（0.75-0.95）（为相应于最高洪水位的堰顶水头），这样可以保证在等于或小于的大部分水头时堰面不会出现真空。当然水头大于时，堰面仍可能出现真空，但因这种水头出现的机会少，所以堰面出现暂时的、在允许范围内的真空值是可以的。

堰顶曲线段是设计曲线型实用堰的关键。国内外对堰面形状有不同的设计方法，其轮廓线可用坐标或方程来确定。目前国内外采用较多的是WES剖面，因为该剖面与其它形式的剖面相比，在过水能力、堰面压强分布和节省材料等方面要优越一些。

WES剖面如图所示，其堰顶上游部分曲线用两段圆弧连接，堰顶下游的曲线用下列方程表示：

式中、是与上游迎水面坡度有关的参数

对上游面垂直的WES型实用堰，后人通过试验，又将原堰顶上游的两段圆弧改为三段圆弧，即在上游面增加了一个半径为的圆弧，这样就避免了原有的上游面边界上存在的折角，改善了堰面压力条件，增加了堰的安全度,如图所示。

（二）流量系数

曲线型实用堰的流量系数主要取决于上游堰高与设计水头之比（）、堰顶全水头与设计水头之比（）以及堰上游面的坡度。在堰的运用过程中，常不等于。当<时，过水能力减小，<；当>时，过水能力增大，>。

对堰上游面垂直，且≥1.33，即高堰时，不考虑行近流速水头，在这种情况下，若，即实际工作全水头刚好等于设计水头时，流量系数＝0.502；若≠时，值查出。

在<1.33，即低堰时，行近流速加大，流量系数随值的减小而减小。同时，在相同的情况下，还随总水头与设计水头的比值而变化。

（三）侧收缩系数

试验证明，侧收缩系数与边墩、闸墩头部型式、堰孔数目、堰孔尺寸以及总水头有关。可按下面的经验公式计算

(8-21)

式中―溢流孔数；－每孔的净宽；―堰顶全水头；―闸墩形状系数。－边墩形状系数。上式在应用中，若>1时，不管数值多少，仍用=1代入计算。

（四）淹没系数

对WES剖面，当下游水位超过堰顶一定数值，即>0.15时（为下游水面超过堰顶的高度），堰下游形成淹没水跃，过堰水流受到下游水位顶托，过水能力减小，形成淹没出流。如果下游堰高较小，即<2时，即使下游水位低于堰顶，过堰水流受下游护坦的影响，也会产生类似淹没的效果而使过水能力减小。淹没系数可根据及由图查得。中、小型水利工程，常用当地材料，如条石、砖或木材做成折线型低堰。断面形状一般有梯形、矩形、多边形等。折线型实用堰中又以梯形实用堰用得较多。梯形实用堰流量仍可按堰流的基本公式计算，其流量系数m与堰顶厚度、相对堰高和前后坡度有关。侧收缩系数、淹没系数可近似按曲线型实用堰的方法来确定。

例：某水力枢纽的溢流坝采用WES标准剖面实用堰，闸墩的头部为半圆形，过墩头部为圆角形，共16孔，每孔净宽15.0m。已知堰顶高程为110.0m,下游河床高程为30.0m。当上游设计水位高程为125.0m时，相应下游水位高程为52.0m，流量系数=0.502，求过堰流量。

解：因下游水位比堰顶低得多，应为自由出流,=1.0。

因==5.33>1.33，为高堰，取≈=15m

查表8-6得圆角形边墩的形状状系数=0.7,闸墩形状系数=0.45，

侧收缩系数

＝=0.4656

＝＝1.00.46560.5021516=28123m3/s

例：某河道宽160m，设有WES型实用堰，堰上游面垂直。闸墩头部为圆弧形，边墩头部为半圆形。共7孔，每孔净宽10m。当设计流量=5500m3/s时,相应的上游水位为55.0m，下游水位为39.2m，河床高程为20.0m，确定该实用堰堰顶高程。

解：因堰顶高程决定于上游设计水位和堰的设计水头，应先计算设计水头，再算堰顶高程。堰上全水头

已知=5500m3/s；=７×１０＝７０ｍ；对WES型实用堰，在设计水头下（＝时），流量系数=0.502；侧收缩系数与有关，应先假定，求出，再求。现假定=0.9，因堰顶高程和未知，无法判定堰的出流情况，可先按自由出流计算，即取淹没系数=1.0，然后再校核。

=11.60m

用求得的近似值代入公式（8-20），求值

查表8-6得边墩形状系数=0.7，闸墩形状系数=0.45

因==1.16>1，应按=1代入计算。

＝1-0.2[(7-1)0.45+0.70]=0.903

用求得近似值代入公式重新计算。

=11.53m

因＝=1.153>1，应仍按=1计算，则所求不变，这说明以上所求=11.53是正确的。

已知上游河道宽为160m，上游设计水位为55.0m，河床高程为22.0m，近似按矩形计算上游过水断面面积

=160(55.0-22.0)=5280m2，==1.04m/s则堰的设计水头=-=11.53-0.06=11.47m。

堰顶高程=上游设计水位-=55.0-11.47=43.53m。

最后校核出流条件：

下游堰高＝43.53-20.00=23.53m，==2.04>2，因下游水面比堰顶低，<0.15，满足自由出流条件，以上按自由出流计算的结果正确。

例：某滚水坝采用曲线形实用堰，当流量Q=200m3时，相应的水头H=1.37m。滚水坝高8m,坝前行近流速=1.5m/s，流量系数取0.46，下游水深=4.5m,试确定滚水坝溢流宽度。（不计侧收缩）

解：因=4.5m<8m，为自由出流

由=得水坝溢流宽度===66m薄壁堰流的水力计算根据堰口形状的不同，薄壁堰可分为矩形薄壁堰、三角形薄壁堰等。由于薄壁堰流具有稳定的水头与流量关系，一般多用于实验室及小河渠的流量测量；另外，曲线型实用堰的剖面型式和隧洞进口曲线常根据薄壁堰流水股的下缘曲线确定，因此研究薄壁堰流具有实际意义。（一）矩形薄壁堰流

利用矩形薄壁堰测流时，为了得到较高的量测精度，一般要求：

（1）无侧收缩（堰宽与上游引水渠宽度相同，即=）；（2）下游水位低，不影响出流量；

（3）堰上水头>2.5cm。因为当过小时，出流将不稳定；

（4）水舌下面的空间应与大气相通。否则由于溢流水舌把空气带走，压强降低，水舌下面形成局部真空，出流将不稳定。故在无侧收缩、自由出流时，矩形薄壁堰流的流量公式为

为应用方便，可以把行进流速的影响包括在流量系数中去。为此，把上式改写为

（8-17）

式中一考虑行近流速水头影响的流量系数。

无侧收缩的矩形薄壁堰的流量系数可由雷保克公式计算

(8-18)

适用条件

≥0.025m，≤2，式中为堰顶水头，为上游堰高。

有侧收缩的矩形薄壁堰的流量系数可用板谷一手岛公式确定

式中为堰顶水头；为上游堰高,为堰宽，为引水渠宽。

适用条件为：=0.5m～6.3m，=0.15m～5m,=0.03m～0.45m,≥0.06。

当下游水位超过堰顶一定高度时，堰的过水能力开始减小，这种溢流状态称为淹没堰流。在淹没出流时，水面有较大的波动，水头不易测准，故作为测流工具的薄壁堰不宜在淹没条件下工作。为了保证薄壁堰不淹没，一般要求>0.7。其中指上下游水位差，指下游堰高。

（二）三角形薄壁堰流

当测量较小流量时，为了提高量测精度，常采用三角形薄壁堰。三角形薄壁堰在小水头时堰口水面宽度较小，流量的微小变化将引起水头的显著变化，因此在量测小流量时比矩形堰的精度较高。

根据试验，直角三角形薄壁堰的流量计算公式为

(8-20)

适用条件：=0.05m～0.25m;堰高≥2H，渠宽B0≥(3～4)。例8-6

某矩形渠道设有一矩形无侧收缩薄壁堰，已知堰宽=1m,上、下游堰高==0.8m,堰上水头=0.5m,为自由出流，求通过薄壁堰的流量。解：按公式（8-18）计算流量系数

=0.4034+0.0534＝0.4034+0.0534=0.4398

==0.43981=0.689m3堰流水力计算的基本公式用能量方程来推求堰流的基本公式。如图所示，为薄壁堰自由出流。

以通过堰顶的水平面为基准面，对断面0-0和1-1写能量方程。堰前断面0-0符合渐变流条件，而1-1断面流线弯曲为急变流断面，该断面动水压强不符合直线分布规律，故用表示1-1断面单位势能的平均值。由此可得

令+，

，＝

，可得下式

设堰的溢流宽度为，1-1断面水舌厚度用表示，为反映堰顶水流垂直收缩的系数。则2-2断面的过水面积按矩形计算为，故流量

令

(8-15)

式中m―流量系数，反映了堰顶水头及堰的边界条件对流量的影响。

公式（8-15）对堰顶过水断面为矩形的薄壁堰流、实用堰流和宽顶堰流都是适用的。

在实际应用中，有的堰顶宽度小于上游引水渠道宽度或堰顶上设有边墩（或翼墙）及闸墩，如图所示。将使过堰水流发生侧向收缩，减小了有效溢流宽度，降底了过水能力，这种堰流称为有侧收缩堰流；反之称为无侧收缩堰流。另外，当堰的下游水位较高，或下游堰高较小时，会使堰的泄流量减小。这种堰流就称为淹没出流；反之就叫自由出流。因此在堰流计算中，考虑到侧收缩与淹没对流量的影响，我们在公式中应分别乘上两个都小于1的系数：侧收缩系数、淹没系数，这样堰流的基本公式为

(8-16)实用堰上闸孔出流的水力计算因实用堰上闸孔自由出流的流线受堰顶曲线的影响，当闸前水流沿整个堰前水深向闸孔汇流时，水流的收缩比平底闸孔要完善的多，过闸后水流沿溢流堰面下泄，堰上水流为急变流。因受重力作用，下泄水流的厚度越向下越薄，不像平底闸那样具有明显的收缩断面。因此曲线型实用堰上闸孔出流的流量系数不同于平底闸孔，它们有不同的流量系数。其流量常用下式计算Q

（8-11）

式中为实用堰上闸孔自由出流的流量系数。它与闸门的型式、闸门的相对开度、堰剖面曲线的形状以及闸门在堰顶的位置有关。

（一）平板闸门

实用堰上具有不同底缘形式的平面闸门，流量系数与闸门的形式、闸门的相对开度、闸门底缘切线与水平线的夹角以及闸门在堰顶的位置有关，可按下式计算：

(8-12)

上式适用于=0.05-0.75,

以及闸门位于堰最高点的情况。

（二）弧形闸门

在初步计算时，可按下式计算

(8-13)上式适用于

0.1<<0.75

四、实用堰上的闸孔淹没出流

在实际工程中，实用堰上的闸孔出流为淹没的情况比较少见。一般当下游水位超过实用堰顶时，即认为是淹没出流，如图8-12所示，其流量可近似用下式计算：

（8-14）

式中为实用堰上闸孔自由出流流量系数；为下游水面超过堰顶的高度。

宽顶堰上闸孔出流的水力计算在水利工程中，闸门的类型主要有弧形闸门和平板闸门两种。闸门的底坎型式主要有平顶堰型和曲线实用堰型两种。

根据闸前水头、闸孔开度e和下游水深等的不同，闸孔出流有不同的水流流态。设收缩断面的跃后共轭水深为，为下游水深。当<，在收缩断面后先形成一段壅水曲线，然后再在下游发生水跃，称为远驱式水跃；当＝,水跃发生在收缩断面处，称为临界式水跃。在这两种情况下，下游水位均不影响闸孔泄流量，称为闸孔自由出流。而当>，水跃发生在收缩断面上游，且淹没了收缩断面，发生淹没水跃。此时的下游水位影响了闸孔泄流量，称为闸孔淹没出流。

一、平顶堰上的闸孔自由出流

（一）平板闸门下的自由出流

水流通过闸孔后，因受惯性影响而发生垂向收缩，在距离闸门（0.5～1）处出现水深最小的收缩断面，其流线近似平行，可看作渐变流断面，此时，称为垂直收缩系数。对断面1-1与C-C写能量方程

＋０＋

式中为水流从断面1-1至断面C-C的局部水头损失。

经整理得

故

式中:＝称为闸孔的流速系数。

设闸孔宽度为，则收缩断面面积，通过闸孔的流量

=

（8-6）

式中:称为闸孔流量系数，它与过闸水流的收缩程度，收缩断面的流速分布和闸孔水头损失等因素有关。

底部为锐缘的平面闸门值可根据表查得。

平板闸门的流速系数与闸坎形式、闸门底缘形状和闸门的相对开度等因素有关，目前尚无准确的计算方法，一般计算可由表查得。

在实际工程中，为了实测流量系数，就需要先测和，然后再算出值。但在实测收缩水深值时比较困难，而且还不容易测准确，为便于应用，可将上式改写为

=

（8-7）

其中闸孔流量系数，其大小可按下列的经验公式计算

=0.60-0.18

（8-8）应用范围0.1<<0.65例8-3

某泄洪闸，闸门采用矩形平板门，当闸孔开度e=2m时，闸前水头=8.0m。已知闸孔宽=10m，流速系数取0.97，下游水深较小，为自由出流，求过闸流量。

解：

(1)按公式（8-6）计算流量

由==0.25<0.65,故为闸孔出流。

查表8-1得垂直收缩系数=0.622，流量系数=0.603，==0.6222=1.244m

初步计算取≈＝8m，得

Q=

=0.603102=138.8m3/s

根据初步计算的流量，求行近流速=1.74m/s

则

=8.154m

Q=0.603102=140.4m3/s

（2）按公式（８-7）计算流量

流量系数＝0.60-0.18=0.60-0.180.25=0.556

初步计算取≈＝8m，

Q=＝0.556102=139.3m3/s

m/s

,

则=8.155m

Q=0.556102=140.6m3/s

（二）弧形闸门下的自由出流

弧形闸门的闸孔出流水流特性与平板闸门相似，其不同点在于，孤形闸门的挡水面板更接近于流线的形状，对水流的影响小于平板闸门。

弧形闸门时的垂直收缩系数，主要与闸门下缘切线与水平方向夹角的大小有关，一般可根据表8-3确定。表中值按下式计算

cos=

式中符号如图所示。

由于弧形闸门在出流时，收缩断面水深更难测定，因而常采用流量系数来计算流量

=(0.97－0.81

（8-9）

适用条件是：250<≤900

,

0<<0.65

例8-4

单孔弧形闸门自由出流，闸宽=5m，弧形闸门半径=5m，=3.5m，闸门开度=0.6m，闸前水头＝3m，试计算过闸流量。

解：先判断出流性质==0.2<0.65，为闸孔出流

cos==0.58

所以＝54.60

则流量系数

＝(0.97-0.81)-(0.56-0.81)

＝

＝0.66

过闸流量

Q=＝0.6650.6=15.18m3/s

二、宽顶堰上的闸孔淹没出流

前面已指出，闸孔淹没出流的判别标准是下游水深大于收缩水深的共轭水深，即ht>。当闸孔为淹没出流时，其泄流能力比同样情况下自由出流的泄流能力要小，可用小于1.0的淹没系数反映淹没对闸孔出流的影响，即

(8-10)

式中－闸孔自由出流的流量系数，

－淹没系数，可由及查图得到。为上下游水位差。

例8-5

某无坎平底闸，设矩形平面闸门。闸前水头=5.04,闸孔净宽=7.0m,闸门开度=0.6m,下游水深=3.92m，流速系数=0.97,求过闸流量。解：先判断出流性质

=0.119<0.65，为闸孔出流

查表8-1得=0.616，==0.6160.6=0.37m，取≈0,

则收缩断面的流速=9.28m/s

=4.875

=2.37m

流量系数＝0.60-0.18=0.60-0.18=0.579

因

>=2.37m，故为淹没出流

由==0.119和

，查图得=0.53

=＝0.530.5790.67.0=12.87m3/s堰流和闸孔出流问题概述水利工程中为了宣泄洪水以及引水灌溉、发电、给水等目的，常修建水闸和溢洪道等泄水建筑物，以控制和调节河渠中的水位和流量。水流受到闸门（或胸墙）的控制，水流由闸门下缘的闸孔流出，其自由水面不连续，这种水流现象称为闸孔出流。闸孔出流实质上就是一种孔口出流，通常把孔口出流和闸孔出流统称为孔流。

当闸门（或胸墙）对水流不起控制作用时，水流受到堰墙或两侧边墙束窄的阻碍，上游水位壅高，水流经过建筑物顶部下溢，其溢流水面为连续的自由降落水面，这种水流现象称为堰流。

根据堰顶水头和堰顶厚度间比值的不同，可将堰流分为三种类型：

（1)薄壁堰流：堰顶很薄，<0.67，此时水流沿流动方向几乎不受堰顶厚度的影响。堰顶常做成锐缘，水舌下缘与堰顶只有线的接触，水面呈单一的自由跌落，故薄壁堰也称为锐缘堰。

（2)实用堰流:堰顶稍厚，0.67<<2.5，此时水舌的下缘与堰顶呈面的接触，水流受到堰顶的约束和顶托，但这种作用不大。水流通过堰顶时主要受重力作用，水流仍然是单一的自由跌落。

（3)宽顶堰流：堰顶厚度较大，2.5<<10，此时堰项厚度对水流的顶托作用已经非常明显。在堰顶进口处，水面会发生明显跌落，以后水面线与堰顶成近似平行的流动。

如果堰顶厚度继续增加，即>10时，堰顶水流的沿程水头损失不能忽略，此时水流已是明渠水流了。

不同类型的堰流，它们虽然有各自不同的水流现象和水力特征，但也有共同点，那就是：水流流经堰顶时，流速增大，其自由水面连续降落；堰顶上流线弯曲很大，属急变流动；从受力分析来看，都是重力起主要作用；另外，考虑到水流经过堰顶的距离较短，流动变化急剧，它们的能量损失以局部水头损失为主，沿程水头损失忽略不计。

孔流与堰流是两种既相区别又有联系的水流现象，主要是从水面是否受闸门（或胸墙）的控制来区分。但闸孔出流和堰流又是可以相互转化的。如图8-3所示，随着闸门的开度逐渐加大，其过闸水流受到闸门的约束愈来愈小。当闸门开度增大到一定值时，闸前水面下降，并脱离闸门底缘，水流不受闸门的约束。此时水流由闸孔出流转变为堰流。相反，当闸门开度减小到一定数值后，水面将接触闸门的下缘，闸门对水流起控制作用，此时水流由堰流转变为闸孔出流。工程上一般采用下列经验数值作为判别孔流与堰流的界限：闸底坎为平顶堰时，≤0.65,为闸孔出流；>0.65，为堰流。闸底坎为曲线型实用堰时，≤0.75，为闸孔出流；>0.75，为堰流。其中为闸孔开度，为闸前水头，为闸门的相对开度。

堰流及闸孔出流是水利工程中常见的水流现象，下面将分别介绍孔流和堰流的流量公式并讨论其影响因素。水跃长度和消能量计算水跃长度是水工建筑物下游消能段长度的主要依据之一，但由于水跃运动非常复杂，至今仍无成熟的计算水跃长度的理论公式。在工程实际中仍采用经验公式进行计算，常用的经验公式有：

欧拉─佛托斯基公式

（7-20）

吴持恭公式

（7-21）

上述两式中的和为完全水跃的跃前和跃后水深，为跃前断面的弗汝德数。

对于梯形断面平底明渠中的水跃长度，可查阅有关书籍。

应该说明：由于水跃中水流紊动剧烈，水跃长度也是脉动的，同时对跃后断面位置的认识也不一致，因而各种经验公式很多，对同一种水跃，各种公式算出的水跃长度值也相差较大。

水跃总的消能量，应包括水跃段和跃后流段的消能量。为简便起见，工程中一般只计算水跃段消除的能量，并以跃前断面与跃后断面的能量差作为水跃的消能量，即式中

──水跃段的消能量；

──跃前与跃后断面的总水头。

水跃消能量与跃前断面水流的总能量的比值，称为水跃消能率，以表示：

（7-22）

经分析证明，水跃消能率仅是跃前断面弗汝德数的函数。愈大，消能率愈高。所以，不同，水跃的形式、流态和消能率也不同，如图所示。

当时，为波状水跃。因跃前断面的动能小，水跃段表面不能形成旋滚，只有部分动能转变为波动能量，消能率很小。

当时，为弱水跃。水面产生许多小旋滚，但紊动微弱，消能率跃后水面较平稳。

当时，为摆动水跃。水跃不稳定，水跃段中的底部高速水流间歇向上窜升，跃后水面波动较大，消能率。

当时，为稳定水跃。水跃的消能率较高，，跃后水面平稳。若建筑下游采用水跃消能时，最好使位于此范围。

当时，为强水跃。水跃消能率，但跃后段会产生较强的水面波动，并且向下游传播的距离较远，通常需要采取措施稳定水流。

例：有一矩形断面棱柱体平底明渠中的水跃，已知流量，渠宽，跃前水深，求跃后水深及水跃长度。

解

单宽流量，将及代入水跃方程式（7-14），得

水跃长度为：

【例7-7】一平底梯形断面渠道，底宽，边坡系数，通过的流量试求跃前水深时的跃后水深。

解

采用图解法求跃后水深

对于梯形断面

水跃函数

为了绘制水跃函数曲线，设不同的值并应用以上关系式计算出不同值相应的值，计算结果见表7-3。

表7-3计算结果0.4

0.5

0.7

1.5

2.0

2.5

3.5

4.5

5.52.56

3.25

4.69

11.25

11.60

21.25

33.25

47.25

63.250.196

0.244

0.338

0.700

0.917

1.127

1.535

1.929

2.3120.501

0.79

1.58

7.88

14.67

23.95

51.04

91.15

146.23168.41

132.55

91.92

38.32

26.95

20.29

12.97

9.12

6.82168.91

133.44

93.50

46.20

41.62

44.24

64.01

100.27

153.05用表7-3中的数据绘出水跃函数曲线查得，当时，。矩形断面棱柱体平底明渠中水跃共轭水深计算对于矩形断面明渠，有，代入水跃方程，得

上式中各项都除以后得

将上式整理简化为

将看做未知量，为已知量；或将看做未知量，为已知量；上式都为二次方程，用求根公式得

（7-14）

（7-15）

或因为水流过水断面的弗汝德数具有下列关系：

所以式（7-14）、式（7-15）又可写成用断面平均流速和用弗汝德数表示的形式：

（7-16）

（7-17）

（7-18）

（7-19）

式（7-14）至式（7-19）就是矩形断面棱柱体平底明渠中水跌方程的几种表示形式。对于底坡不大的矩形棱柱体明渠中的水跃，也可近似地应用上式。棱柱体平底明渠中的水跃方程由于水跃为明渠非均匀急变流，水跃段内具有较大的能量损失，不能忽略不计，又没有一个确定水跃能量损失的计算公式，因而表征水跃运动规律的水跃方程，无法利用能量方程来建立，只能应用恒定总流的动量方程来推导。

棱柱体平底明渠中的完全水跃，取跃前断面1—1和跃后断面2—2之间的水跃段作为脱离体，来推导水跃方程。为简化水跃计算，根据水跃的实际情况作如下三个假设：

（1）水跃和边界之间的切应力不大，且水跃段长度又短，水流和壁面之间的摩擦阻力和水跃前后过水断面的动水压力相比，要小得多，可以忽略不计，即。

（2）跃前和跃后断面处的水流均为渐变流，作用于在该峡谷断面上的动水压强近似地按静水压强规律分布，因而有

（3）跃前、跃后两断面上的动量修正系数可取。

根据上述假定，对水跃段取水流方向（水平方向）的动量方程，由于重力在水流方向的投影为零，则得

将和动水压力计算式代入上式得

上式各项除，整理后得

式中

——跃前断面面积；——跃后断面面积；——跃前断面形心点的水深；——跃后断面形心点的水深。

式（7-11）即为棱柱体平底明渠中完全水跃的基本方程式。该式表明：单位时间内由跃前断面流入的水流动量和该断面上的动水压力之和，等于单位时间内由跃后断面流出的动量和跃后断面的动水压力之和。

水跃方程是在一些假设条件下推导出来的，多年来对矩形断面平底明渠中的水跃进行了广泛的试验研究，实测结果表明，试验值和理论公式计算值基本吻合，式（7-11）是可信的。

从水跃方程可知，等式两边都是一样的表示形式。当明渠的断在形状、尺寸及流量一定，又都是水深的函数时，称此函数为水跃函数，用表示，即于是水跃方程式（7-11）又可写成如下形式

上式表明，棱柱体平底明渠中发生水跃时，其跃后水深和跃前水深不相等，且明显大于跃前水深，但两水深对应的水跃函数却是相等的。所以，和又称为水跃的共轭水深，其中跃前水深为第一共轭水深，跃后水深为第二共轭水深。

为了认识水跃函数的特性，对于流量和断面形状、尺寸都不变的明渠，设一系列的值，可算出相应的水跃函数值，绘出水跃函数的关系曲线，如图所示。

从图中的曲线形状可以看出，水跃函数具有下列特性：

（1）水跃函数曲线存在着一个极小值，可以证明，水跃函数最小值时的水深就是临界水深。

（2）水跃函数曲线的上支，随水深的增加而增加，，水流为缓流；水跃函数曲线的下支，随水深的增加而减小，，水流为急流。

（3）除极小值点外，一个水跃函数值有两个水深（跃前水深和跃后水深）与之相对应，并且它代表了一种条件下产生的水跃。愈小，愈大。

对于非矩形断面平底明渠中的水跃，可利用水跃函数曲线来求共轭水深。如已知求时，可给一系列，分别求出相应的的值，并作关系曲线。可由值在纵坐标上找到一点，过作水平线交水跃函数曲线下支于点，过作垂线交曲线上支于，则点的纵坐标点的数值就是与相应的跃后水深，如图7-17中画有箭头的虚线所示。水跌与水跃现象分析缓流和急流是明渠水流两种不同的流态。当水流从一种流态向另一种流态转换时，会产生局部水力现象──水跌和水跃。下面分别讨论这两种水力现象。一、水跌现象与控制断面当明渠水流从缓流过渡到急流、水深从大于临界水深减至小于临界水深过程中，水面产生了平顺而急剧的降落，这种局部水力现象称为水跌。它一般发生在明渠纵向边界突然降低的地段。

例如，末端有一垂直跌坎的棱柱体缓坡明渠，在上游较远处，水流为均匀流，缓坡渠道上的均匀流为缓流，其水深大于临界水深。由于渠道末端存在跌坎而使阻力减小，则跌坎上游渠道中的水流在策略作用下作加速运动，水深沿流程减小，水面沿流程下降，并在跌坎附近产生一平顺而急剧的降落。水流以临界流状态在近坎处通过，又以水舌形式自由泻落。跌坎附近的这种局部水力现象称为水跌。

又如，当渠道底坡由缓坡变为陡坡时，缓坡上游的均匀流为缓流，水深大于临界水深。在底坡改变处C─C断面的下游为陡坡，陡坡上的均匀流为急流，水深小于临界水深。水流从上游缓坡流向下游陡坡的过程中，流速加快，水面下降，同样以临界流状态在C─C断面附近以临界流通过，形成水跌。

水流由缓流过渡到急流时，一定要经过临界流断面。由于临界水深是由渐变流条件导出的，而实际水流在临界水深处是属于急变流，因此理论上导出的临界流断面并不发生在渠底突变处，而实际出现在渠底突变处偏上游为L=（3～4）hk的某断面上。但在实际计算水面曲线时，常将渠底突变处断面近似当作是发生临界流的断面。由于渠道长度一般很长，这样简化处理，并不影响水面线长度计算的精度。二、水跃（一）水跃现象

当明渠水流过渡到缓流时，会产生一种水面突然跃起，水深由深小于临界水深急剧地跃到大于临界水深的特殊的局部水力现象，这种水力现象称为水跃。例如，水流由陡坡渠道流向缓坡渠道，由陡坡下泄的急流过渡到缓坡上的缓流时，水流一定产生水跃现象，如图所示。

仔细观察水跃现象时会发现，水跃的内部结构大体上可分为两部分。水跃的下部为主流区，在此区内，水流急剧地扩散，上海下泄的流量全部经过此区流向下游；水跃的上部是一个作剧烈回转运动的表面旋滚，旋滚区的水流翻腾滚动，大量掺气，回转剧烈。在水跃段内，水流的流速梯度很大，紊动混掺极为强烈，表面旋滚和主流之间，大量的质量和动量交换，使水流内部产生更为强烈的磨擦和撞击，从而使水跃段内产生了很大的能量损失。因此，工程上常利用水跃来消除泄水建筑物下泄水流的巨大余能，以确保建筑物和下游河道的安全。为便于研究，称表面旋滚起点的过水断面1-1为跃前断面，相应的水深为跃前水深；表面旋滚终端的断面2-2为跃后断面，相应的水深为跃后水深。水跃前后两断面的水深差称为水跃高度，水跃前、后两断面之间的水平距离叫水跃长度，用表示。闸坝修建后的河床冲淤问题概述河流上建造闸坝工程以后所引起的最大变化是改变了水流型态，而且随着不同的操作调度，其流态变化也异。对河床的冲淤影响可分工程附近局部冲刷与河道普遍冲淤两种情况。

1．闸坝下游局部冲刷

建造闸坝后，造成上下游显著的水位差，同时泄洪宽度远较原河道缩窄，单宽流量增加，以致集中泄流的巨大动能，虽然经消能措施，仍将引起建筑物附近河床的局部冲刷。特别是下游，淘刷严重会危及建筑物的安全，因而必须采取消能防冲措施。这也是研究冲刷问题不必须与消能措施所强制形成的各种流态联系起来考虑的原因；同时冲刷问题又与河床岩土抗冲强度密切相关。因此，研究各种不同流态情况下的各种岩土河床冲刷深度和范围是局部冲刷问题的主要内容。目前对沙土河床冲刷研究较多，对于粘性土和岩基冲刷尚待进一步研究。特别是岩基，由于节理裂隙和断层的存在，冲刷极不均匀。例如丹江口溢流坝下游由于有断层破碎带，冲坑水深达32.6m，这种岩基结构很难在试验室内进行模拟，因此仍多以依赖于野外观测资料的分析，在基本公式中寻找一个经验性的系数。

2．闸坝上下游河道普遍冲淤

河流上建造闸坝后，由于上游蓄水，将使上游河道坡降变缓造成河床淤积；同时越过堰坝的下泄清水又将满足其固有的挟沙容量而造成下游河床的普遍冲刷。这样就导致尾水位降低使闸坝下游局部冲刷加剧，并且增加了地下水渗流的出口坡降。因此，在消能防冲设计时还应考虑水量调度运行情况下的河床演变。根据印度灌溉工程经验，在兴建堰闸工程运行的头几年，下游河床普遍冲刷降低1.2~2.1m。但运行几年后，上游河床恢复原有的坡降而不再淤积；并由于拦河堰前的渠道引取清水，使多余的泥沙越堰流向下游。当控制流量比原有流量小的运用情况下，此多余泥沙就淤积在下游河床，因而河床将又逐渐恢复淤高。印度经验，运行二三十年后，下游河床反而淤积比未建堰前的原有河床高0.6m。

对于高坝形成的大型水库，使下游洪水发生变化，减低了特大洪水的频率，提高了中小洪水的频率，上下游河床演变更为显著。即由水库下泄的清水具有挟带下游河床中细颗粒泥沙的能力，造成冲刷，而上游则拦截部分泥沙造成淤积。这种冲淤现象主要决定泥沙的临界推移力与水流的拖拽力两者的平衡关系。式中、分别为泥沙和水的容重；d为代表一层底沙运动的粒径；为泥沙层运动的摩阻系数；H、J分别为河流水深和坡降。当两者相等则达到无底沙运动的平衡状态。由此可知唯一可以调整的是坡降J，而且必须与库区的水深和泥沙的粗细特性相适应。对于多泥沙来源河流会使书库失效，下游刷深河床也会影响建筑物（闸坝、堤脚、桥梁、引水口等）的稳定和海潮的上溯。一般库区泥沙淤积，距坝愈远愈粗而且随着水库运用方式不同，也影响其淤积的层次。我国黄河三门峡水库1960年建成蓄水后，经过一年半时间（一个汛期），淤积泥沙15.9亿，潼关河床上升4.5m。到1964年，损失库容39.9亿，而且淤积向上游延伸，库区两岸土地的没、盐碱、沼泽化面积进一步增加。1965年后对工程改建，增添左岸两条泄水洞，打开导流底孔，降低电站进口等措施，取得一定成效。1970年以来，库容恢复6.9亿，潼关河床下降1.9m，并冲刷形成高滩深槽，床砂组成逐渐变粗。对于下游，由于河道很长，往往出现上段冲刷、下段淤积的情况。如何控制淤积，避免冲刷，需要从运用调度管理中寻求水沙调节规律。

闸坝泄流能力问题能力是用堰流或孔流的基本公式乘一个实验性的修正系数计算的，所以需要根据闸坝泄流的边界条件寻找一个适用的流量系数，以便运用控制闸门开度满足宣泄的流量；同时在消能冲刷计算中也必须知道宣泄的流量。因此泄流能力也是工程力学中的主题之一。虽然泄流能力的计算比较成熟，容易从模型试验得出规律的结果，但由于缩尺影响，以及考虑侧岸及闸墩处水流收缩和行进流速不确，实际流量往往大于实验值，而且密切与出流淹没度这一不易准确计算的流态有关，所以仍存在一些问题。

在高淹没度的较核流量下确定闸孔总净宽的设计中，过去有不少水闸经过水工模型试验都论证出设计的泄流能力过于保守。按照设计流量要求，很多闸，例如江苏省的高良涧、皂河、六塘河等闸试验结果比设计流量大20%左右，都可省去一孔；原废黄河大通地涵试验结果比设计流量大40%~50%，可以缩减5孔；就以最近试验的通榆河总渠地涵水工模型试验来说，可由15孔缩减为12孔；又如山东省南四湖红旗四闸由于上下游开挖引河很窄，与闸的放宽断面联结段扩张角太大，经模型试验论证，原设计的134孔可以减为78孔等。总之，目前的泄流能力计算方法还值得研究，根据水力学的概念，可指出应加以注意的两点：

（1）对出闸水流在出口处的流态和冲低了的尾水面形成逆坡应加以考虑，但不容易掌握此出口处的水面和断面上的压力分布，以致造成较大的计算误差。例如通榆河总渠地涵，如果采用出口处的水面计算上下游水头差，就有淹没流量系数0.733，与设计取值极为一致，但是采用下游尾水面计算就得出较小的泄流能力，多取2~3孔。因此有必要向管理工作提出下游水尺装设的位置问题，似乎可以考虑设在墩尾巴或适当低压部位。同样，上游水尺位置，为测记能头又可避免流速水头试算，似可把水尺设在迎水墩头，为避免流水波动不稳定影响，似可在墩头尾各做成竖井。这些具体革新水尺装设问题，有赖于管理人员去实践或做一些专题研究。

（2）为求在很小水位差情况要求通过设计流量，而采用等于或大于河道宽的所谓“大肚子”水闸方案是不合理的。因为这样会在闸室进口形成回溜，达不到增加流量的目的。从最近榆河总渠地涵的试验结果已可看出靠边岸闸孔的流量系数计算小于中孔，说明原设计15孔的边孔发挥不了应有的泄流能力。这也是一个侧边收缩问题，由此还可联想到迎水墩头的形状。由于来水不是相应于每个墩头对称，所以做成尖头不一定好。经过长闸墩导流作用，下游墩头做成尖头流线形是合理的。同样，胸墙进口设计成喇叭口也可增大流量系数。另外，地涵泄流能力的计算误差更大于平底水闸也是值得研究的，至于模型缩尺影响，还待运行管理工作中对原型测流的验证。

四、闸坝地基渗流及侧岸绕渗问题

地下水渗流冲刷对闸坝工程的破坏性不亚于地表冲刷。特别是透水地基，而且是隐蔽于地下更危险，需要有更安全的设计。对于实际复杂地基渗流的问题，由于电算普及，目前均采用有限单元法等的数值计算方法进行研究，以及依赖已建工程的观测资料分析判断其安全性。当然也可引用近似计算方法研究比较渗流控制方案。

江苏省大型水闸的渗流观测资料已积累不少，并已发现一些异常现象值得研究，例如三河闸，由于闸门支墩置于闸孔中间底板上，开闸放水的荷载变化回压缩土体使其孔隙水压力突增以致底板中部下的2、3号测压管水位上升，甚至比上游水位还高，发生倒坡现象；由于三河闸底板末端反滤排水出口前有一小消力槛，在闸门小开度放水射流情况下，射流越过小槛顶跌入消力池时在反滤排水出口形成低压区，以致影响其前面的4号测压管水位较低，发生下游测压管水位比尾水位还低的“异常”现象；由于洪泽湖蓄水面广阔而水深浅，对气温变化敏感，表面受日照的辐射热传达以及温升后湖水进入闸基的渗透性变化，使得三河闸在关闸期间，蓄水位不变情况下，靠上游的1、2号测压管水位由3月到6月升高1m，然后再影响到3号测压管的上升，每年成周期性变化，是比较有规律的；此种受开关闸泄流荷载变形以及气温影响的闸基扬压力计算设计问题尚待进一步研究。又如射阳河挡潮闸，闸基测压管水位比潮水位迟后0.5~2h，视距潮水位远近而异；由于非稳定渗流，下游测压管水位也有高于上游水位或底板下测压管水位高于上下游水位达1m的“异常”现象。总之，江苏省水闸的闸基渗流多属于非稳定渗流状态，将50年代观测资料与80年代相比，可知波动的变化幅度已有所衰减。

五、水流脉动与闸门振动问题

水流脉动现象对闸坝运行管理有着重要影响，它也反映在急流表面的波动及不稳定性方面，促使水流气，增强紊动，引起建筑物和闸门的振动，以及紊动水流加深河床冲刷等影响。此种随时间瞬变的脉动和振动现象，需要电子仪器设备来测定，50年代开始了这方面的系统研究。其中测试手段、数据处理以及随机理论应用等彼此关系密切。

六、高速水流的空蚀与抗蚀问题

空化、空蚀对高坝建设中高速水流破坏性关系密切。水流在20m/s以上的流速时混凝土就会发生空蚀现象。水工建筑物混凝土首次出现空蚀而引起人们注意的是30年代末的美国邦纳维尔（Bonneville）坝（1969-1）。一般水头高达40~50

m以上的坝不发生空蚀是不大可能的，除非采用一定的工程措施。发生空蚀的部位多在不平整表面、闸门槽、消力墩齿等处。防止空蚀破坏的措施最好是通风减蚀，即在边界渗气。例如做成台阶式渗气坎或滑槽式挑水坎以及在泄流墙上设槛或设底槛，造成水流分离区，使空腔的形成和破裂都与壁面不直接接触，可完全消除空蚀（1971-8）。一般在射流底部渗气浓度3%~5%即可免除空蚀。在体型方面也可采用消力墩的迎水面流线体型，楔形体型或逐或向下游升高放宽的齿形尾槛等，把壁面尽量做光滑或护以能抗蚀的特殊材料等抗空蚀措施。目前对空化、空蚀和减蚀的机理研究深度尚不能达到在数量上预测的要求。

另外在高速水流中所涉及到的边界层理论也是工程水力学中的一个重要问题。

七、水工模型试验问题

自从上世纪末，恩格斯（H.Engels）等用水工模型试验解决水工问题以来，特别是对于闸坝工程水力学方面，已被公认是解决实际生产问题的很成功的一种研究手段，虽然电子计算机为发展数学模型提供了条件，进而发展为“计算水力学”，但是对于复杂的地表水运动还不能像地下水渗流那样可以用数学模型来取代物理模型，解决生产问题。因此，水工模型试验仍是解决问题的主要手段。如能在工地就闸门运行管理做一简单水工模型试验，将生动地对工程管理起到指导作用。然而还有一些较复杂问题的模型及其缩尺影响尚需研究。闸坝下游消能问题概述消能是防止冲刷破坏的一种必要措施，以使泄流能量消减和扩散。不致发生下游严重冲刷危及安全为目的。一般是通过摩擦、冲击、旋滚、挑流、扩散、气等方式来实现，使水流发生强烈的动和渗混作用把动能转变为热能。具体工程措施则有消力池（槛、墩、齿等）、戽斗、跌坎、鼻坎、滑雪道等消能工。从水流形态的水力学观点出发，可区分为以下三种基本消能形式。

1．底流水跃消能

水跃消能是最古老也是最稳妥的消能措施，能在极短距离的消力池中消杀大部分能量，随着佛汝德数的增加，消能率高达2/3以上，要比不产生水跃的渐变流所消失的能量大几十倍。因此低水头的闸坝泄洪多采用消力池或倾斜护坦以及槛、墩、齿等辅助消能工，以适应产生水跃的共轭水深及其长度。长江葛州坝工程二江泄洪闸就采用了水跃消能措施，设计单宽流量高达220，并已经过最大洪峰流量70800的考验，证明消能防冲效果很好。其它如盐锅峡、林、陆水等泄洪工程也采用了水跃消能。但在高速水流情况，若在池内设置墩、齿就易发生空蚀破坏，此时就应考虑墩、齿形式和气措施，以致高坝采用水跃消能的很少。

二元水跃计算已很精确，而实际问题多属三元空间水跃，特别是平原水闸，下游河道宽广，必须考虑跃后扩散水流的迅速均布问题。同时还得考虑个别闸孔出流所形成的不完全局部水跃的消能问题。但目前还没有一个好的设计计算方法，很难有一种适应各级水位和任意开闸方式的消能工，因此还要辅助以调度运行控制管理来保证泄流的安全。

2．面流消能

面流消能介于水跃和挑流两种消能形式之间，利用跌坎或戽斗的末端仰角将主流挑向尾水面部形成坎后底部旋滚和戽斗紊动达到消能的目的。这种面流式消能都是不脱离开下游水体的，所以受尾面或尾水深度的影响较大。各级尾水位情况下会发生各种流态和不同位置的旋滚，这些多变流态过程也可总称为混合流。

跌坎消能工首先用于前苏联伏尔霍夫水电站（1926年），戽流消能工首先用于美国大古力坝（1942年）。我国西津水电站开始采用跌坎消能（1964年，），石泉水电站开始采用戽流消（1975年，）。迄今已有30余工程采用面流式消能，多数运行良好，但水流余能大，水面波动较剧，影响距离远。例如西津溢流坝下游水面波浪影响河道岸坡的稳定，长达3km；龚嘴溢流坝下游出口表面流速30m/s，强烈底部旋滚夹带砂石对周围建筑物产生严重的冲击和磨损。

3．挑流消能

高水头泄流时多采用挑流形式（连续式或差动式鼻坎），工程量小，投资省，检修方便。我国较早采用挑流消能的有丰满溢流坝、狮子滩溢流坝和佛子岭泄洪洞等工程。目前在岩基上建坝已被广泛采用，而且随着峡谷建坝的增多，新型挑流消能工也不断出现，其特点是强迫能量集中的水流向纵、横、竖三个方向撕开扩散和互相冲击，促进紊流气，扩大射流入水面积，减小和均化河床单位面积上的冲击荷载以减轻冲刷。例如乌江渡水电站的溢流坝和滑雪道，利用了挑流鼻坎控制水舌落点，使之沿河纵向撕开，冲刷较浅。但对挑流的物化影响和下游堆丘抬高尾水位影响电站出力问题应加以注意。

此外，拱坝坝顶自由跌流的消能措施主要是水舌跌流处有足够的水深，即以挖低岩基形成水池或筑二道堰抬高尾水位以及加强水舌跌流点的抗冲强度。同样，渠道跌水也属此类。消能建筑物指南本文将首次与大家分享一系列关于土木工程设计和工程学的实用信息和见解。我们习惯通过兆瓦来衡量水电站的装机容量，以每秒流出的水的立方米数来衡量大坝溢洪道的宣泄流量，然而我们经常忽略了与宣泄量有关的消能程度，这些消能数值有可能是极值。举例来说，在巴基斯坦的Mangla水坝，水电站装机容量是1,000MW,然而洪峰泄量的消能需求大约是25,000MW!设计土建结构以达到安全经济的适应这些能量是可以做到的,但是这需要正确的观念和丰富的经验去进行细部设计。泄洪道工程有可能超过主坝体或堤防的花费。许多泄洪道和消力池已经需要大修，甚至大多数已经超出设计流量的范围。设计的指导方针常常是以理论水力学为基础的，而并非以实际的安排为基础。在本文中,我将与大家分享几个关于溢洪道和消力池的设计理念，这些理念都经过实验验证，切实可行。1水跃式消力池简单的水跃式消力池适用于上下游水头差超过10m或者是水头差在30m到50m之间的情况。根据消力池中水的体积来划分水能被消散的程度，给出典型的"能源密度"大约在每立方米5到15KW左右。在10到30m水头差范围，消力墩将会增强水跃,造成一个较小的消力池，从而节约了建筑造价。超过30m的水头差后，空化和剥蚀的破坏就会变得显著起来。超过50m以后，很多简单的消力池已经失去作用，而一些自由射流或挑流鼻坎的布置或许比较好。2跌水池在大坝的下游出口到接近尾水位一段距离处,或是在泄槽的末端，高速自由射流可以被泄放掉(比如在莫桑比克的CahoraBassa水坝)。自由射流和跌水池消能的优势在于，这样的工程避免了对昂贵的混凝土消力池的需要。跌水池的开挖方量可以在水库的正常运行中被水流带走。用调整疏缝预破碎岩石的方法可以指导跌水池的修建，但是一些别的暗示——比如下游的岩层——也需要被注意到。首先，受侵蚀的消力池中很多岩层的外观会很难看，其次，这样的岩层会影响发电。据我所知至少有一个这样的案例：岩层抬高了下游尾水位，从而降低了电站的电量输出，电站输出电量降低严重到一定程度将会导致电站的业主必须停止发电一年，来开挖清理掉这些岩层。在另一个水电工程中，岩层横靠电站厂房，在一次大洪水中，电站厂房被水淹没而且停产好几年。中等水位的泄水（比如在赞比亚和津巴布韦边界的Kariba大坝）不会象CahoraBassa水坝的低水位泄水一样向下游射流很远。这意味着任何由中间水位而建的消力池应比较靠近大坝。分析指出稳定长期的洪流“能源密度”在Kariba消力池大约为每立方米7kw。国际大坝委员会技术委员会会议期间有关消能的讨论中,被引述的跌水池的能源密度范围大约每立方米10kW到30kW。然而,这范围更多的适用于在建的而非已建成的跌水池。由混凝土大坝堰顶溢流的水流最好经由高水位分离器分解和掺气，“Roberts”分离器装置已经广泛应用,包括在斯里兰卡的维多利亚水坝。许多水坝直接向下游岩床泄洪，也许下游设置的溢流堰能抬高局部尾水位(如在莱索托的Kastse水坝)。其他的高水坝也能成功的将这些流量泄放到混凝土护坦上,使能源密度达到每立方米60KW。这样的冲击式护坦是典型的根据“带式支撑”原则设计的，由止水条、地下排水、锚杆共同组成。具有代表性的是，混凝土板——平面尺寸为15m×15m，深为3m，被用在剪切键和上游面钢筋之间。止水条和地下排水装置在所有的接缝处都要设置，而且锚杆的设计要以极少出现在冲击区负低压区域的高压为基础。3其他的消能替代在混凝土坝顶，单宽流量可允许减少到宽12m3.m到15m3m左右，坝的下游面的梯级也可以用来消能，同时减少了建一个完整的沉沙池的必要。这种布置适用于碾压混凝土坝。跌水护坦要沿着下游坝址修建，用来改变到中央消力池处的流量。这些类型的护坦被用在莱索托的Muela水坝和在英国的Castlehill和Glywedog水坝。这也可能是对每立方米30KW到40KW左右全部能量密度的一个非常有成本效益形式的消能方式,同时将水坝高度减到最低而且省去了闸门的安装。4工程学和设计考虑对于所有这样的工程，详细实用的结构对于简单的水跃式(举例来说，美国垦务局类型1)消力池的需求来说是最好的。在上游末，进入的急流在这里水平转弯，将会产生很大的离心压力。接缝加以调整以避免这样的区域，或者说是使得更安全，防止高压力水流注入消力池底板的低压地带。通过专门的消力池、锚杆——结合基础板的静荷载——应该能够承受最大的分层水压,这种分层水压是以穿过消力池直向前的水位差为基础的。这样的措施是基于下面的一种假设：就是地下排水装置之间的互相连接可使高尾水位升压到水位较低的区域。锚杆需要足够的深度来适应基岩的荷载，但必须注意杆的长度可以参差不齐，以尽量节省造价。举例来说，如果岩石需要6m的深度,只需要50%长度的锚杆以配合不到3m的深度。别的锚杆也都可以截成3m的长度，只需要预留锚固长度就可以了。使用较少部分的长杆也是比较经济的。那是因为安装锚杆的费用三分之二都是用来钻孔的。此外，对于同样表面的腐蚀深度，花在大的锚杆上的功夫比起在小的锚杆的会小一些。理论消力池的长度通常根据水跃的无量纲"佛汝德"常数来确定。但是,事实上，这只是个参考。大型的水跃式消力池,通常是指“佛汝德”常数为4到10的范围中修建的消力池,在实际的水跃中大约只会消去40％到70％的能量。剩余的能量被携带入河水，在很短的时间内就会在巨浪汹涌﹑旋转﹑冲刷中被消去。由此产生的结果是，为了减少工程造价，消力池的长度经常被减短。为了校核被缩短的消力池合适的长度，需经由适当的模型试验来验证。在消力池被缩短的地方,也就是说，在理论上的水跃长度60%之处,任何冲刷沟的下游界限是不受影响的。整个由上游到下游冲刷的程度只是为了增加补偿。消力池的下游尾栏在这方面的作用是很大的，它产生一个反面的水“旋滚”,确保下游的河床材料抵御冲刷，更有效地保护下游河床不受破坏。锚杆的下游"帷幕"提供了附加的安全度。地下排水装置是使用多孔管，砂砾层，及不含细骨料的混凝土的典型组成部分。相对地，一个三角形的接缝排水沟——由预制板构成——是简单有效的。地下排水管应该设置在消力池侧墙的低压区域中或直接通向尾水。当然，有的消力池仅有横向排水管，将上游和下游直接连接的可能性减到最少。许多消力池的上游地下排水装置，改为进入设置在主溢洪道体内的检查廊道中。在某个工程中,廊道也可通过一扇防水闸门连接到主体发电站。如果下游的护坦保护失效,来水将会很猛，以至于不到十分钟就会阻塞廊道(和与之相连接的防水闸门)。不久之后,电站将会被水淹。这一个例子表明,上游出口主要是被提供给排水沟清洁和维护目的的地方,在下游板失效的情况下，出口应该是密封的，或保持很小以限制随后的来水。工程已经基于水跃式消力池的紊动压力建成,尽管将这种紊动压力转化成设计的任何努力尝试已经做到，但这一切都是可变的。根据广义原则，护坦板应该坚固而且易锚固,所有的地下排水装置都被制造成大直径。大直径可以确保任何局部动水压力的注入，通过接缝或裂缝将会快速地释放。个别的板应该尽可能做的大一些,归结于这样的一个事实，瞬时压力均值以平均的区域减少。在一些情形中，比如在乌拉圭的Palmar水坝，护坦是连续浇注的，65m长，用适当的上游面裂缝分布筋来控制上游到下游方向的混凝土开裂。这是远比很多小平板好很多的解决方法。套管或"豪厄尔斯-盖子"阀门池用高水头偏转水流挡板和波浪抑制器以多种方式设计。根据全消力池比例，美国垦务局关于空注阀的指导方针反映很好,尽管所有消力池的安排是不同的。每立方米40kW到50kW范围的能源密度可能达到上游区域局部能源密度的二倍。在至少一个例证中，一个管阀池的能源密度已经达到每立方米超过400kW的水平。高水头消力池的所有导流片上可能需要护钢。但是,如果这样的出口被有规律的使用,比如在渠道的消力池中,完全可以安装串联灯泡式水轮机来获得更大的发电效益。综上所述，这些建议值得牢记,然而设计消能建筑物以成功适应可能最大的洪水是必要的,水力特性也可能在较低的范围内被优化,如500年一遇或1000年一遇的洪水险情中。意识到这样一种事实，将在工程规模和造价方面带来极大的节约。海堤工程除险加固技术概述1、基本情况福建省海岸线长达3324km，居全国第二位。修建了大量的海堤，全长1603km(其中保护千亩以上农田的海堤有298处，总长1134km，同它配套水闸有456座)。开发保护土地30万公倾，保护人口500万人，保护工农业产值400亿元。这些海堤（水闸）大多数运行多年，存在不同工程问题，每年都必须投入大量人力、物力予以除险加固。海堤的地质情况主要有岩基、砂砾层和淤泥层三种类型。潮汐属规则半日潮，平均潮差4.8m~6.6m，最大8m~9m，是全国潮差最大的省份之一。平均每年登陆和影响的台风5~6次，最大风速超过40m/s。台风带来的暴雨强度大,历时短,雨量集中,一般在200mm~400mm间局部超过700mm。2工程存在问题2.1海堤存在问题2.1.1设计标准偏低据统计福建省99年台风水毁的海堤大多数设计标准偏低，造成这种现象主要有以下几方面原因：①这类海堤原设计时参照的规划标准偏低；②海堤原设计时选取的参数与现行标准不同，如设计高潮位原来是采用历史最高潮位，现行标准采用设计频率潮位；③设计标准应包括堤顶高程和结构两方面，而以往的海堤仅突出对堤顶高程的要求，未考虑结构方面的要求，主要包括消浪防冲结构和海堤“三面包”护砌。2.1.2堤身单薄据1990年统计，福建省全省有892km海堤存在堤身断面偏小，达不到设计要求，主要原因是大部分海堤为“三边”工程，有些工程是群众自发上马的，普遍存在资金不足，未经设计部门设计等问题。造成有些堤顶宽度不足2m，坡度只有1：1。2.1.3护坡抗冲能力偏低福建省海堤迎水坡多采用干砌块石护坡，但由于部分护坡施工质量差，砌筑不紧密，或选用块石重量小，厚度不足，不能抗御风浪的袭击，还有的护坡垫层级配差，有的甚至不设垫层，起不到反滤层的作用，使垫层、堤身被淘空，从而造成垮堤或缺口。还有些海堤未护砌，只采用草皮护坡，更是不堪一击。另外福建省大部分海堤未“三面包”，经不起越浪，在垮堤事故中也屡见不鲜。2.1.4海堤基础存在失稳和漏水现象福建省海堤大部分建在淤泥软基，且淤泥层深厚，最深达20m以上，当基础处理不当时，竣工后，沉陷量大，常常引发滑坡或护坡破坏现象，另一方面，软基采用抛石压载处理，由于闭气工程控制不严，引起堤基不同程度的漏水。据不完全统计，堤基严重漏水达72km。2.1.5岸滩冲刷问题据统计，岸滩冲刷引起护坡破坏的情况，占总护坡破坏数的5%~10%。尽管比例不大，但海堤堤脚、岸滩缺乏保护，在潮水的作用下，发生严重的冲刷，引起堤坡大量的脱落，从而导致护坡大面积的崩塌，进而造成决口跨堤。2.2海堤水闸存在问题由于资金缺乏，福建省千里海堤除险加固达标中，未能对海堤水闸进行同步加固。保护千亩以上海堤有456座水闸，大多已运行二、三十年，普遍老化失修，存在严重的隐患。主要存在以下几个问题。2.2.1设计标准偏低福建省海堤水闸大多数是六、七十年代兴建，当时设计标准偏低，加上设计过程中调查洪水、潮水不准确，甚至缺少资料，造成设计单宽流量偏小，上、下游水头差不准确等情况，设计出的结构满足不了工程要求。2.2.2防冲消能问题由于运行调度不当，设计标准偏低，软基处理不完善，运行方式改变，人为破坏，过量采沙等诸多原因，造成消能工破坏，危及闸基安全，是福建省海堤水闸普遍存在的工程问题。例如连江大官坂围垦海堤上的水闸。由于发展养殖业需要，运行方式改变，由原来单一排涝闸改为兼有排涝、纳潮任务的水闸，而上游未设置消能措施，近几年检查发现上游大面积被冲刷深14m，面积达5000m2。2.2.3渗流稳定问题软基或沙基上的水闸防渗在当时技术条件主要采用打板桩和粘土铺盖防渗，这种防渗措施有一定局限性，加上施工质量差，排水系统不完善，地基沉陷等综合因素，极容易造成渗流破坏。个别水闸甚至形成闸基淘空现象。2.2.4钢筋混凝土碳化问题从福建省水闸检测结果来看，沿海工程钢筋混凝土腐蚀破坏方式和破坏程度随所处的位置不同而有所差异，根据结构破坏特征，大致可分为以上几种类型：(1)在水位变化区、浪溅区。其原因主要可分为混凝土抗干湿交替能力较差，引起表层开裂、盐类在混凝土毛细孔中结晶膨胀造成胀裂，氯离子侵入引起钢筋锈蚀膨胀造成混凝土结构破坏。(2)水中混凝土结构，由于自身密实度不够，氯离子侵入引起钢筋锈蚀膨胀，造成混凝土破坏。(3)全部暴露于空气中的上部混凝土结构，因二氧化碳、氯离子随风进入混凝土孔隙引起混凝土碳化及钢筋锈蚀造成破坏。这种现象在结构迎风面尤为严重。(4)因混凝土设计等级、施工质量未达到要求，而造成破坏也占很大比例。2.2.5启闭系统及铁件锈蚀问题据初步统计福建省水闸大部分都已运行20年以上，由于运行年限长，维修更新改造的资金不足，管理不善等原因，尚有180多座水闸启闭机及启闭系统需要更新改造。铁件和钢闸门的锈蚀也很严重，例如大官坂围垦水闸和福清柯屿水闸等。3除险加固技术

海堤、水闸的除险加固技术有多种，一般应根据形成破坏的原因，海堤、水闸的运行情况及洪水、潮水等相关因素，综合考虑，因地制宜地选择。现将福建省近年来几种常用的除险加固技术论述如下。3.1海堤除险加固技术3.1.1提高设计标准要对海堤进行彻底的除险加固，就必须按有关规范确定海堤设计标准，包括海堤堤顶高程和结构设计标准。（1）堤顶高程设计标准堤顶高程的设计首先应按海堤保护的范围和重要性确定其设计频率，然后按公式：堤顶高程=设计高潮位H+波浪爬高R+安全超高A确定，设计高潮位采用设计频率潮位，风浪爬高采用莆田公式计算，安全超高根据海堤是否允许越浪予以选取。（2）结构设计标准结构设计标准主要包括海堤消浪防冲结构和“三面包”护砌两方面。消浪防冲结构最常采用的是三级消浪结构（详见下述）。“三面包”护砌是将海堤内、外坡和堤顶都进行护砌，是防止越浪破坏的有效措施，外坡护坡采用消浪防冲结构，堤顶采用砌石或素砼，内坡多种干砌条、块石或草皮护坡。该结构设计应注重护坡下反滤层的设计，近年来多采用土工布代替传统的砂砾料反滤层。3.1.2消浪防冲(1)建立消浪防冲结构海浪冲击是危及海堤安全的主要因素，建立完好的消浪防冲结构是抵消波浪冲击的有效措施，消浪结构不仅能削减波浪的爬高，降低堤顶高程，而且能减轻波浪对堤身主体结构的冲击力。由于福建省海堤大多数是座落在淤泥或沙基础上，且堤前滩底水深，因此适宜采用多级消浪结构，有利于地基稳定和工程施工，常采用的是三级消浪结构，最底一级采用抛石护脚，二级采用砌石或砼预制块护面，三级采用挡土墙（防浪墙）。(2)抛石护脚海堤护岸除了护坡外，还需要护脚，但于堤前水深大，施工困难，很难直接进行护砌，同时为了适应软基础的不均匀沉降，常采用抛石护脚。抛石厚度一般为2～3m，边坡根据具体情况控制在1：1.5～1：3之间，抛石粒径应根据经验公式计算或参照已建工程分析确定，为了保护抛石层及其下部基础的稳定；应在抛石区下铺设滤层，采用砂砾料或土工布作滤层，福建省莆田市后海海堤采用抛石护脚，经多次台风巨浪冲击仍然完好如初。(3)外坡消浪防冲外坡通常采用砌石或砼预制块护面，砌石护面为了提高消浪防冲能力，采用凹凸竖直干砌条石护坡，砌筑时条石大头向下，小头向上，每块条石四边紧靠，有空隙处用片石打入挤紧，条石块块如插桩墙，从单个块体受力分析，竖直砌比横铺、顺铺平砌受波浪推动的面积少，受推动的力相应减少，稳定性好，同时坡面起到加糙作用，摩擦力大，风浪爬高低，消浪效果好。福建省晋江东潘海堤采用竖直干砌条石护砌部位在99年台风袭击时受的破坏明显较其他型式条石护砌少。对于风浪较大的开敞海域，为避免波浪对护坡的反复冲损，有些海堤采用砼预制块护面，砼预制块的体积、重量按设计波浪要素确定。对于砼预制通常有四脚空心块和砼栅栏块两种。(4)浆砌石挡土墙（防浪墙）在海堤外坡较高部位设置浆砌石重力式挡土墙能够有效抗挡波浪的冲击，挡土墙设置的关键是要确保基础稳定，挡土墙上部通常作为防浪墙，高0.8~1.0m，据工程经验和试验研究，在防浪墙上设置一弧形或梯形挑浪嘴，能够有效地将来浪挑回海面，达到减少越浪量的目的，挑浪嘴的结构以采用现浇砼为宜，向外侧伸出一定的宽度，以一定倾角的斜面或反弧与下部直墙联结，形成梯形或弧形的挑浪嘴。福建省莆田湄州湾海堤部分堤段在防浪墙上设置挑浪嘴，消浪效果良好。(5)消浪平台设置消浪平台在福建省已经过多年的运行，实践证明在外海侧设置消浪平台，对减少越浪量降低堤顶高程有明显的效果，尤其是斜坡式海堤，还能对护坡起到一定的保护作用，消浪平台最好设置在多年平均高潮位附近，或略高0.3~0.5m，此位置消浪最充分。平台宽度可取设计有效波高的1~2倍，一般不宜超过3m。3.1.3防渗补强海堤堤身防渗补强通常有外坡土工膜防渗，堤身水力开槽土工膜垂直防渗和堤身灌浆等防渗措施。(1)外坡土工膜防渗外坡铺设土工膜防渗是一种经济、可靠，施工简便的堤防防渗措施，其结构是先在海堤处坡铺设一层下垫层，然后在该垫层地铺层土工膜，再在土工膜上铺设上垫层和保护层。下垫层采用沙载土，土工膜厚度不得薄于0.3mm，上垫层为碎石垫层厚0.15~0.3m，防护层可用砌石或砼预制块。土工膜防渗应进行稳定性验算及膜后排渗能力校核。福建省宁德市西陂塘海堤采用外坡土工膜防渗，防渗效果良好。(2)水力开槽土工膜垂直防渗水力开槽土工膜垂直防渗技术是采用射水法造孔机机具在海堤外港侧开出一定宽度和深度的沟槽，利用垂直铺膜机在沟槽内铺设土工膜，然后回填沟槽，使其形成一个以土工膜为隔水体的连续防渗帷幕，起到垂直防渗的作用。施工过程应着重抓好连续造孔开槽，槽内挡水、挡土保护，土工膜铺设与接头处理，槽沟回填等方面工艺。该技术具有适应性强，施工简单，速度快，投资少等优点，具有广阔的推广应用前景。近年来在福建省闽侯县多个堤段采用此法防渗。(3)堤身灌浆福建省海堤堤