挑流消能的水力計算

1、挑流消能的水力計算通過中、高水頭泄水建筑物下泄的水流，動能往往很大。當(dāng)下游水深較小時，如采 用底流式消能，常需很大的池深及深長，并且需要很強的護坦，工程費用較大，如采用面 流消能，卜.游水深又不能滿足形成面流所需要的卜游水深較大且較穩(wěn)定的要求，因此，可 以采用挑流消能。經(jīng)挑流鼻坎將水流挑入空中，形成水舌，并降落在遠離建筑物的下游，形成沖刷坑， 只要沖刷坑與建筑物的距離足夠長，建筑物可保平安，挑流消能的原理及過程簡述如下：一是空中消能：水舌在空中受空氣阻力，逐漸擴散，與空氣接觸面積加大并摻入空 氣，空氣阻力加大，水舌內(nèi)摩擦碰撞加劇，消耗小局部水流能量。二是水下消能：水舌入水后，沖刷河床，形成沖刷

2、坑，坑深加大，形成較厚的水墊， 對水舌起緩沖、消能作用，同時水舌入水后在其前后形成兩個漩滾，漩滾紊動強烈，消耗 了大局部水流能量。挑流消能的優(yōu)點是工程費用比底流消能節(jié)省很多，且構(gòu)造簡單，節(jié)約下游護砌，所 以應(yīng)用廣泛。缺點是水舌擴散、摻氣、造成下游大量霧氣，且尾水波動大。挑流消能水力計算的主要任務(wù)是：選定適宜的挑坎形式、尺寸，計算下泄水流的挑 射距離（挑距）和沖刷坑深度，并校核是否影響建筑物的平安。一、挑距L的計算挑距是指挑坎末端至沖刷坑最深點間的水平距離。計算挑距的目的是為了確定沖刷坑最深點的位置。試驗和原型觀測說明，沖刷坑最深 點大體位于水舌軸線在水中的延長線上，如圖9-13所示，挑距L由空

3、中挑距Lo和水下挑 距Li組成圖 9-13（一）空中挑距L。的計算空中挑距L。是指挑坎末端至水舌軸線與下游水面交點間的水平距離。對平滑的連續(xù)式 挑坎（見圖9T3）,假定挑坎出口斷面1T上流速均勻分布，且為5。略去空氣阻力和水舌擴散影響，把拋射水流的運動視為自由拋射體的運動，應(yīng)用質(zhì)點自由拋射運動原理可導(dǎo) 出空中挑距屋的計算公式：Lo=/sin20 1+1+(9T5), SSin-e式中，一上游水面至挑坎頂部的高差；a一挑坎高度，即下游河床至挑坎頂部的高差；。一鼻坎挑射角；L 0.055L 0.055h一沖刷坑后下游水深；(9-16)。一壩面流速系數(shù)，上式為長江流域規(guī)化辦公室1973年提出的經(jīng)驗公

4、式。其中，A為流能比q為單寬流量。式(9-16)用于左二0. 0040. 15范圍內(nèi)，當(dāng)A 0.15時，取0=0.95。(二)水下挑距L的計算水下挑距指水舌軸線與下游水面交點至沖刷坑最深點間的水平距離。水舌射入下游水 面后，屬于射流的潛沒擴散運動，與質(zhì)點的自由拋射運動不同。可以近似認(rèn)為，水舌落入 下游水面后仍沿入水角方向直線前進，并假設(shè)沖坑最深點位于該直線上，那么(9-17)式中T一沖刷坑深度；N一沖刷坑下游水深;夕一水舌入水角，可按下式近似計算(pS(9-18)cosp = J!cos夕(p2Sl + z-Sl式中Z一上、下游水位差。二、沖刷坑深度T的估算沖刷坑深度取決于水舌跌入下游水面后的

5、沖刷能力及河床的抗沖能力。當(dāng)潛入下游河 底的水舌沖刷能力仍大于河床的抗沖能力時，河床被沖刷，形成沖刷坑。隨著坑深的增加， 坑內(nèi)水墊消能作用加大，水舌沖刷能力下降，當(dāng)其與河床抗沖能力到達平衡時，沖坑深度 不再增加。水舌的沖刷能力主要與單寬流量、上下游水位差、下游水深、壩面形式、水流在空中 的能量損失、摻氣程度及入水角等因素有關(guān)。向河床的抗沖能力那么與河床的地質(zhì)條件有關(guān)。綜上所述，影響沖刷坑深度的因素眾多且復(fù)雜。因此，目前工程上還只能依靠一些經(jīng) 驗公式來粗略估算沖刷坑的深度。對于巖石河床，我國目前普遍采用的計算公式為T=Kc嚴(yán) z25九（9-19）式中L抗沖系數(shù)，與河床的地質(zhì)條件有關(guān)。國內(nèi)水利工程

6、的研究和規(guī)范提出：堅硬 完整的基巖Ks=0.91.2；堅硬但完整性較差的基巖（=1. 21.5；軟弱破碎、裂隙發(fā)育的 基巖Ks=L52.0。其它地質(zhì)河床T的經(jīng)驗公式，可查閱水工設(shè)計手冊。沖刷坑是否會危及建筑物的平安，一般用沖刷坑后坡i來判斷，i=T/L, T：沖刷坑深 度，L：挑距，一般認(rèn)為沖刷坑最深點與挑坎末端之間的距離L大于2. 5-5倍沖刷坑深度 時，將不影響建筑物的平安，即允許的沖刷坑最大后坡=1/2.51/5。三、連續(xù)式挑坎尺寸的擬定（一）挑坎型式常用的挑坎形式有連續(xù)式和差動式兩種，如圖9-14所示。連續(xù)式沿整個挑坎寬度上具有同一反弧半徑R和挑射角6。其優(yōu)點是施工簡便，不易氣 蝕，比

7、相同條件下的差動式挑坎挑射距離遠；缺點是水舌比擬 集中，沖刷坑較深。差動式挑坎是將挑坎作成齒狀，使通過挑 坎的水流分成上下兩層，優(yōu)點是使水舌在垂直方向有較大擴散, .增強消能效果，下游形成的沖刷坑深度較?。蝗秉c是流速較高時，差動坎處易產(chǎn)生氣蝕。目前多采用連續(xù)式。圖9T4除上述兩種挑坎外，工程中還有一些異型挑坎，窄縫挑坎、扭曲挑坎、高低挑坎等，可查閱水工設(shè)計手冊，但目前應(yīng)用較多的是連續(xù)式挑坎。（二）挑坎尺寸擬定挑坎尺寸擬定的原那么是使同樣水力條件下得到的挑距最大，沖刷坑深度較淺。下面簡 單介紹連續(xù)式挑坎的尺寸選擇。1、挑射角，根據(jù)質(zhì)點拋射運動原理，當(dāng)挑射角。45時，。值愈大，空中挑距L。愈大，但

8、入水角 夕也相應(yīng)增大，水下挑距L減小，沖坑深度增加，而總挑距基本不變。此外，隨著挑射角 的增大，開始形成挑流的流量，即所謂起挑流量也增大。當(dāng)下泄流量小于起挑流量時，水 流挑射不出去，必在反弧段內(nèi)形成旋滾，然后沿挑坎漫溢而下，沖刷壩址，危及建筑物的 平安。所以，挑射角不宜選得過大，實踐證明，較適當(dāng)?shù)奶羯浣恰６?530;2、反弧半徑r。水流在挑坎反弧段內(nèi)運動時產(chǎn)生的離心力，將使反弧段內(nèi)壓強加大，ro愈小，離心力 愈大，挑坎內(nèi)水流的壓能增大，動能減小，挑距也減小，因此為保證有較遠的挑距，至 少應(yīng)大于反弧最低點水深h的四倍，一般設(shè)計時多采用r=(410)3、挑坎高程挑坎高程愈低，出口流速愈大，挑距愈遠

9、，同時，減小混凝土方量降低工程造價，但 為了保證水舌下緣與壩址附近的下游水面間有足夠的空間，防止因水舌運動使該空間空氣 被帶走后得不到補充，形成真空，壓低水舌，減小挑距，甚至形成貼流沖刷壩址，設(shè)計中 一般取挑坎最低高程等于或略高于最高下游水位。事實上，挑射角、反弧半徑、挑坎高程三者是彼此相關(guān)的，應(yīng)統(tǒng)一考慮，選擇最優(yōu)組 合?！纠?-5】承例9-4的水力條件，溢流壩下游改為挑流消能，鼻坎高程為429. 50m,挑射角采用25, 下游河床基巖軟弱破碎、裂隙發(fā)育。試計算水舌挑距及沖刷坑深度，并判斷沖刷坑是否危及建筑物的安 全。解：基本數(shù)據(jù)計算：S,= (456. 50+4. 50)-429. 50=4

10、61. 00-429. 50=31. 50 (m)Z=461. 00-(420. 00+8. 30)=461. 00-428. 30=32. 70 (m)a =429. 50-420. 00=9. 50(m)sin250=0. 4226sin250=0. 4226sin2X25l=0. 766cos25=0. 9063流能比流能比k二 q 網(wǎng)并廊X 31.5020- = 0.036流速系數(shù)P =0.055入水角B入水角Bcos夕=,8 slcosg = J x 09063 = 0.885+ z-=27. 75=27. 75tg夕=0. 5261空中挑距3爪叫+號= 40.81(m)= 40.81(m)=0.8922X31.50X0. 766X + 1 +(9.5()-8.3()V 0.89222(2)沖刷坑深度因基巖軟弱破碎、裂隙發(fā)育，故取K,=L6T = Km5z25 - h=. 60X20. 00 s X 32. 70 25-8. 30=8. 81 (m)(3)水下挑距總挑距沖刷坑后坡T + h, 8.81+8.30tg/3 0.5261=32.52(6)L=Lo+l“=4O. 81+32. 52=73. 33 (m).T i =L8.8173.33= O.I2=0.95,試判別是否需建消力池，如需要請按 消力坎式設(shè)計消力池尺寸。