第一讲：水工建筑物下游消能

水力分析与计算主讲人：沈汉水工建筑物下游消能水工建筑物下游消能消能必要性消能形式分类底流消能水力计算一、消能必要性泄水建筑物下泄水流流速很高，动能很大，下泄至下游河道时与河道中的水流状态不相适应。经泄水建筑物下泄水流会对泄水建筑物及下游河道的运行安全产生一定的不利影响，如不妥善解决，将会导致以下严重的后果：下游河床及其岸坡将遭受高速水流的冲剧破坏，会危及建筑物本身的安全。因溢流宽度便窄，单宽流量集中，下游水流运动的平面分布更加复杂化，不利于整个枢纽的运行。因此，从水力分析与计算角度看，必须解决水流从高水位向低水位过渡时的水流衔接问题和减小因单宽流量集中以及较大的水位差转化为较大动能时水流对下游河道的冲刷(即消能)问题。只有解决好上述问题，才可保证建筑物的安全以及避免下泄水流对枢纽其他建筑物的不利影响。所以，需在泄水建筑物下游设置消能工程，以消除下泄水流能量，保护建筑物的安全。一、消能必要性拱坝坝身挑流消能（二滩原型）二、消能形式分类工程中常采用的衔接与消能方式按照泄出水流与尾水及河床的相对位置，可以将常见的衔接消能方式分为如下三种基本形式。就是在建筑物下游采取一定的工程措施，控制水跃发生的位置，通过水跃产生的表面旋滚和强烈的紊动以达到消能的目的。底流式消能

二、消能形式分类利用下泄水流所挟带的巨大动能，因势利导将水流挑射至远离建筑物的下游，使下落水舌对河床的冲刷不会危及建筑物的安全。(新安江水库)挑流式消能二、消能形式分类当下游水深较大而且比较稳定时，可采取一定的工程措施，将下泄的高速水流导向下游水流的上层，主流与河床之间由巨大的底部旋滚隔开，可避免高速主流对河床的冲刷。余能主要通过水舌扩散，流速分布调整及底部旋滚与主流的相互作用而消除(富春江水库)。面流式消能二、消能形式分类水利工程中有时需结合具体工程的需要，将三种消能方式结合应用。下图采用消能戽就是一种底流和面流结合应用的实例。三、底流消能水力计算闸、坝等泄水建筑物下泄水流要经过收缩断面并且发生水跃，以水跃的形式与下游水流衔接，研究表明：当水跃发生在收缩断面前后的位置不同，将会发生不同的水跃衔接形式，而水跃衔接形式决定了是否需要采取消能措施。

要判断会发生哪一种水跃衔接形式，需先知晓收缩断面水深

hc，再由hc推求跃后断面水深hc”而后作判断。

所以底流式衔接与消能的水力计算第一步要求计算hc，第二步由hc计算hc”，并判断水跃衔接形式，由水跃衔接形式决定是否需要进行消能，第三步是进行消能水力计算。三、底流消能水力计算第一步：计算收缩断面水深hc通过列能量方程，得到收缩断面水深计算公式为：式中，q为单宽流量、φ为流速系数、E0为堰前总水头（相对于下游地板高度），该公式是hc的三次方程，不便直接求解，可以采用逐次渐近法求解hc。三、底流消能水力计算第二步：计算跃后断面水深hc”，并判断水跃衔接形式求出收缩断面水深hc之后，可由水跃方程算出hc”。比较hc”与下游水深ht的大小，判断发生何种水跃。令σ=ht/hc”，称σ为水跃的淹没系数。它表示水跃的淹没程度。远离式水跃衔接形式最为不利，工程实践中要避免出现；临界式水跃衔接形式不稳定，很容易转变为远离式水跃衔接，也应避免出现；所以最好选取淹没系数σ=1.05~1.10的淹没式水跃作为底流衔接消能形式。三、底流消能水力计算第三步：经判别为临界或远离式水跃时拟建消力池，并计算消力池池深S、池长Lk当建筑物下游水流的自然衔接形式经判断为远离式水跃或临界式水跃衔接时，则需要设置消能工(消能工程)，即要进行相应的消能水力计算，避免出现这两种水流衔接形式。设置底流式消能工的目的就是迫使建筑物下游发生淹没系数σ=1.05~1.10的稍有淹没程度的淹没式水跃。池深S由公式S=σhc”-ht进行估算，再计算建池后的hc、hc”以及出池水流到下游水面的跌落高度ΔZ，验算是否为1.05~1.10，如果是则消力池深度S满足要求，否则调整S，重复上述步骤，直到满足要求为止。三、底流消能水力计算消力池除需具有足够的深度外，还需有足够的长度，以保证水跃不冲出池外，而对下游河床产生不利影响。试验表明，池内淹没水跃因受池末端竖立壁坎产生的反向作用力，由池内收缩断面算起的水跃长度L‘j比平底渠道中产生的同样的自由水跃长度Lj要短20%~30%。当泄水建筑物为曲线型实用堰时，消力池长度Lk，等于池内水跃长度L’j，即

Lk=L‘j=(0.7~0.8)Lj

。第三步：经判别为临界或远离式水跃时拟建消力池，并计算消力池池深S、池长Lk小结本节课主要介绍了泄水建筑物下游消能的主要形式与原理、底流街接与消能的水力计算。

通过本节课的学习