9 泄水建筑物下游的水流衔接与消能 一、问题的提出 天然河道中的水流一般多属于缓流，水流流量沿河宽方向的分布较均匀。但 河道中修建了闸、坝等泄水建筑物后，水流条件必然会发生较大变化，从而 引起一系列水力学问题。 下泄水流的特点如下： 1.建坝后的水头也增加，下泄水流（比未建坝前的水流）流速增大，即 流速高； 2.建坝时，为节省工程造价，使泄水建筑物的泄水宽度比原河床宽度 小，使泄水时的单宽流量加大，即水流集中。 泄水时形成的高速集中水流，破坏性大，对下游河床具有较大的破坏力 、消能问题的提出视频)
1 9 泄水建筑物下游的水流衔接与消能 一、问题的提出 天然河道中的水流一般多属于缓流，水流流量沿 河宽方向的分布较均匀。但 河道中修建了闸、坝等泄水建筑物后，水流条件必然会发生较大变化，从而 引起一系列水力学问题。 下泄水流的特点如下： 1.建坝后的水头也增加,下泄水流（比未建坝前的水流）流速增大，即 流速高； 2. 建坝时，为节省工程造价，使泄水建筑物的泄水宽度比原河床宽度 小，使泄水时的单宽流量加大，即水流集中。 泄水时形成的高速集中水流，破坏性大，对下游河床具有较大的破坏力 。（消能问题的提出视频）
三、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。 1、底流式消能 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 消能池 的表面旋滚和强烈的紊动以 达到消能的目的
2 三、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。 1、底流式消能 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
2、挑流式消能 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。 冲刷坑 9.3
3 2、挑流式消能 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
3、面流式消能 当下游水深较大而且比较稳定时，可采取 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。 主流 底部旋滚 9.4
4 3、面流式消能 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
水利工程中有时需结合具体工程的需要参将三种 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。 戽内旋滚涌浪 消能戽 底部旋滚
5 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
91底流消能的水力计算 底流消能是借助一定的工程措施控制永跃位置，通过水跃发生的表 面漩滚和强烈紊动来消除余能。 泄水建筑物下游水跃发生的位置既取决于通过建筑物下泄水流的特 性，又与下游河道中的水深及流速大小有关。 当通过一定流量时，下泄水流的特性常以水深最小、流速最大的过 水断面上的水力要素为代表，这个断面称为收缩断面。而与下泄流 量相应的下游水深及流速则决定于下游河道底坡、断面形状尺寸、 粗糙系数等参数，通常是知。 底流消能的水力计算需要首先确定泄水建筑物下游水流衔接形式， 即确定水跃发生的具体位置；其次决定要采取的工程措施。底流消 能是通过水跃消能
6 9.1 底流消能的水力计算 底流消能是借助一定的工程措施控制水跃位置，通过水跃发生的表 面漩滚和强烈紊动来消除余能。 泄水建筑物下游水跃发生的位置既取决于通过建筑物下泄水流的特 性，又与下游河道中的水深及流速大小有关。 当通过一定流量时，下泄水流的特性常以水深最小、流速最大的过 水断面上的水力要素为代表，这个断面称为收缩断面。而与下泄流 量相应的下游水深及流速则决定于下游河道底坡、断面形状尺寸、 粗糙系数等参数，通常是知。 底流消能的水力计算需要首先确定泄水建筑物下游水流衔接形式， 即确定水跃发生的具体位置；其次决定要采取的工程措施。底流消 能是通过水跃消能
泄水建筑物下游收缩断面水深的计算 (一)计算公式推导 以通过收缩断面底部的水平面为基准面，列出坝前断面0 一0及收缩断面c一c的能量方程式，可得 E,=h++5 L=h.+(a。+5) 2g 2g 由图可以看出 E,=B+H+心=B+H
7 一、泄水建筑物下游收缩断面水深的计算 （一）计算公式推导 以通过收缩断面底部的水平面为基准面，列出坝前断面0 －0及收缩断面c－c的能量方程式，可得 由图可以看出 g h g g E h c c c c c c c 2 ( ) 2 2 2 2 2 0 = + + = + + 2 0 2 0 0 0 2 2 P H g E = P + H + = +
令流速系数 E。=h.+ 2g0 以“=号代入上式得E,=h,+ 28Ao 上式是计算收缩水深的一般公式，对任意形状的断面都适用 。其中流速系数φ可按经验公式计算或查表确定。 对于矩形断面，A。=b·h。。取单宽流量计算，则 Eo=he+ 2g02h
8 令流速系数 则 以 代入上式得 上式是计算收缩水深的一般公式，对任意形状的断面都适用 。其中流速系数φ可按经验公式计算或查表确定。 对于矩形断面， 。取单宽流量计算，则 + = c 1 2 2 0 2 g E h c = c + c c A Q = 2 2 2 0 2 c c gA Q E = h + Ac b hc = 2 2 2 0 2 c c g h q E h = +
(二)收缩水深的计算方法 1、任意断面 ①试算法；②试算一图解法；③电算解法（二分法 、 迭代法等)。 2.等腰梯形断面 ①试算法；②试算 图解法；③电算解法（二分法 、迭代法等)；④查图法，图见教材附图I
9 （二） 收缩水深的计算方法 1、任意断面 ①试算法；②试算——图解法；③电算解法（二分法 、迭代法等）。 2.等腰梯形断面 ①试算法；②试算——图解法；③电算解法（二分法 、迭代法等）；④查图法，图见教材附图Ⅰ
、泄水建筑物下游水跃的位置与形式及其对消能的影响 水跃的位置决定于坝趾收缩断 面水深h。的共轭水深h”与下游水 深h,的相对大小。可能出现下列 三种情况 第一种情况：h,=h”临界水跃 第二种情况：h,hg 淹没水跃 以0 ,表示水跃的淹没程度。 h
10 二、泄水建筑物下游水跃的位置与形式及其对消能的影响 水跃的位置决定于坝趾收缩断 面水深 的共轭水深 与下游水 深 的相对大小。可能出现下列 三种情况 第一种情况： ＝ 临界水跃 第二种情况： ＜ 远驱水跃 第三种情况： ＞ 淹没水跃 以 表示水跃的淹没程度。 c h c ht h ht c h ht ht c h " c t j h h = c h