石大水力學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)15挑流消能實(shí)驗(yàn)

（十五）挑流消能實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康囊?．掌握測(cè)量挑距的實(shí)驗(yàn)技能。2．了解挑流的消能過(guò)程與效果。3．觀察隨下游水位的變化，挑流演變成臨界戽流直至最后形成淹沒(méi)戽流的流動(dòng)特征。二、實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)設(shè)備如圖11.1所示，圖中WES曲線堰的局部裝置如圖15.1所示。圖15.1挑流實(shí)驗(yàn)局部裝置圖合理設(shè)計(jì)挑流消能工的鼻坎形式、反弧半徑、鼻坎高程和挑射角度是關(guān)系到泄水建筑物的安全、經(jīng)濟(jì)等重要問(wèn)題。連續(xù)式挑流鼻坎由于其構(gòu)造簡(jiǎn)單、挑距遠(yuǎn)、鼻坎上水流平順和不易產(chǎn)生空蝕，因而被廣泛應(yīng)用。理論上可推得當(dāng)挑射角時(shí)，挑距最遠(yuǎn)（詳見六、1解答）。但由于須考慮自由起挑流量及出射水流的平順性，一般工程鼻坎的挑射角大都選在的范圍內(nèi)。鼻坎高程高出下游水位。鼻坎反弧半徑R太小時(shí)，水流軸向不夠平順，過(guò)大時(shí)，鼻坎向下游延伸太長(zhǎng)，將增加工程量，一般取R=（8~12）h1(h1坎上水深)。本實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ筒捎肳ES型堰，挑坎反弧半徑R=10cm。三、實(shí)驗(yàn)原理連續(xù)式鼻坎由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、經(jīng)濟(jì)而成為最常用的一種挑流鼻坎。挑流消能是利用鼻坎將下泄的高速水流向空中拋射，使水流擴(kuò)散，并摻入大量空氣，然后降落在離建筑物較遠(yuǎn)的地點(diǎn)與下游水流相銜接。水流在同空氣摩擦過(guò)程中和在下游水墊中消耗能量。若采用寬尾墩或其它類型鼻坎挑流，由于空中有較大的擴(kuò)散，落水余能減少，可減輕對(duì)河床的沖刷，但應(yīng)用較少。本實(shí)驗(yàn)只限于連續(xù)式挑流量鼻坎消能。連續(xù)式挑流鼻坎的水平挑距，可按拋射運(yùn)動(dòng)原理計(jì)算，一般按水舌外緣軌跡的延長(zhǎng)線與下游河床面的交點(diǎn)至鼻坎末端的水平距離作為挑距。挑距計(jì)算公式如下（參圖15.1）：（15.1）（15.2）(15.3)(15.4)(15.5)(15.6)式中，z為上、下游水位差；q為單寬流量；為流速系數(shù)；g為重力加速度；為坎頂過(guò)水?dāng)嗝嫫骄魉?；為坎頂過(guò)水?dāng)嗝嫠娴牧魉?；為鼻坎挑角；s1為以坎頂為基準(zhǔn)的上游來(lái)流總能頭；R為反弧半徑；h1為1-1斷面的水深；K為流能比；為坎高，即挑坎頂部至下游河床的高差。其中為已知，▽1待測(cè)定。據(jù)此，由式（15.5）、(15.6)可計(jì)得，然后再由式（15.3）代入式(15.4)計(jì)算，進(jìn)而可求得挑距的理論值，以便將實(shí)測(cè)挑距與之比較。四、實(shí)驗(yàn)方法與步驟1．測(cè)記有關(guān)常數(shù)；2．打開進(jìn)水閥，通過(guò)量水堰求得來(lái)水流量，然后降低尾門，使下游水位保持在最低水位，依據(jù)下泄水流的挑流型式，繪出挑流流態(tài)圖；3．測(cè)量各有關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；注意：（1）測(cè)量挑距時(shí)，要把尾門降低到最低，并用導(dǎo)桿分撥水舌脫離側(cè)壁，以使水舌下空腔與大氣相通；（2）水舌外緣與渠底相交處，為挑距下游測(cè)點(diǎn)。4．保持上游來(lái)流條件不變，逐漸增加下游水位，觀察消能形式逐漸從挑流到臨界戽流，最后形成淹沒(méi)戽流消能的過(guò)程，分別測(cè)記上述消能形式換時(shí)的下游水位；5．在下游水位為較低水位時(shí)，逐漸減少上游來(lái)流流量，使之由于動(dòng)能不足，水流挑不出去，而在挑坎反弧段內(nèi)形成旋滾，然后由坎頂漫溢跌至壩腳，沖刷近處基礎(chǔ)，測(cè)計(jì)此時(shí)的上游水位及流量；6．關(guān)泵停水，試驗(yàn)結(jié)束。五、實(shí)驗(yàn)成果及要求1．定性繪出挑流消能上游至下游的總水頭線及流態(tài)圖；2．繪制臨界戽流和淹沒(méi)流形態(tài)示意圖；3．依據(jù)已知設(shè)計(jì)流量、槽寬、鼻坎挑角等，求出理論挑距，并與實(shí)測(cè)值比較（參表15.2）；4．整理計(jì)算下列表格：有關(guān)常數(shù)：實(shí)驗(yàn)臺(tái)號(hào)No槽寬b=cm，挑角θ=，壩頂高程cm，坎頂高程cm，上游渠底高程cm，下游渠底高程cm，量水堰頂高程cm。表15.1挑距量測(cè)表（表中單位為cm．s制）三角堰上游水位實(shí)驗(yàn)流量Q上游水位下游水位實(shí)測(cè)挑距L01表15.2挑距計(jì)算表（表中單位為cm．s制）qzKS1h1uL0六、實(shí)驗(yàn)分析與討論1．從理論上講，當(dāng)鼻坎挑角=45°時(shí)，挑距最大，但實(shí)際工程中鼻坎挑角一般選用范圍為15°~35°，原因何在？2．鼻坎高程愈低，出流斷面流速愈大，挑距愈遠(yuǎn)，如何合理選擇鼻坎高程？3．試分析在挑流消能中，能量消耗的主要途徑。4．按公式15.1計(jì)算得出的挑距與實(shí)測(cè)挑距有一定的誤差，試分析其原因。5．根據(jù)實(shí)驗(yàn)觀察和成果計(jì)算，簡(jiǎn)要分析挑流和戽流這二種消能方式的適用條件和范圍。

附錄15.1流量計(jì)算公式：三角堰：Q=AHB式中，H為三角堰堰上水頭，A、B為率定常數(shù)。附錄15.2幾種消能工水流特征及適用條件比較項(xiàng)目消能方式底流消能挑流消能面流消能戽流消能水及流消的能特過(guò)征程表面為漩滾區(qū)，主流集中在底部逐漸擴(kuò)散。通過(guò)水躍區(qū)及躍后段內(nèi)強(qiáng)烈的紊動(dòng)和流速分布改組而達(dá)到消能的目的。借壩端挑坎將急流拋入空中。通過(guò)水舌在空中擴(kuò)散、摻氣、落入下游與水體碰撞及沖刷河床而消能。在適當(dāng)?shù)奈菜畷r(shí)，借跌坎將主流導(dǎo)向下游表面，使之逐漸擴(kuò)散，底部有漩滾。余能的消散是靠底部漩滾區(qū)中水流強(qiáng)烈紊動(dòng)和主流沿程擴(kuò)散而達(dá)到。兼有面流及底流的特點(diǎn)。適用條件常用于下游河床地質(zhì)條件較差的中低水頭建筑物。多用于高水頭泄水建筑物，下游河床最好為較完整的巖基。中小型工程，下游有較深而變幅不大的尾水。尾水較深的各類泄水建筑物。下游河床最好為巖基。主要的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：水躍穩(wěn)定，安全可靠，消能效果好，下游水面波動(dòng)小。缺點(diǎn)：消力池的工程量大，增加造價(jià)。優(yōu)點(diǎn)：節(jié)約護(hù)坦工程，可降低造價(jià)，消能效果好。缺點(diǎn)：空中霧氣大，尾水波動(dòng)大，要求下游河床抗沖能力強(qiáng)。優(yōu)點(diǎn)：主流在表面