水流衔接消能的研究分析

水流衔接消能课程名称：高速水流专业班级：12级水工卓越班学生姓名：叶武学生学号：2012102170指导教师：姚莉，曾晨军1水流衔接消能【摘要】在天然河道中兴建水工建筑物必然会改变天然河流原有的水流状态，水流流速加快，能量集中，因此具有较大的破坏性。通过都水流衔接与消能的研究分析，延长水工建筑物的使用寿命，增加水能利用的经济性。【关键词】消能、低流消能一、引言天然河道中的水流，一般多属缓流，单宽流量沿河宽方向的分布也比较均匀。但当在天然河道中修建了闸、坝等泄水建筑物后，流动条件发生了变化，通过建筑物下泄的水流往往具有较高的流速，单位重量水体所具有的能量也比下游河道中的水流的正常比能大得多，对下游河床具有明显的破坏能力。特别是为了节省建筑物的造价，常要求这类建筑物的泄水宽度比原河床小，单宽流量加大，形成高速水流下泄，能量也就更为集中，破坏性也更大。这样巨大的能量，若不采取有效措施加以消除，势必刷深河槽，冲毁河堤，甚至使建筑物遭到破坏。因此，泄水建筑物下游需要采取适当的消能措施，将下泄的高速水流安全地转变为下游的正常缓流，从而保证建筑物的安全。2二、下游泄水能量分析为了达到灌溉、发电、防洪等兴利目标，往往要在河渠上建造水闸、挡水坝等水工建筑物，用来调节河渠的水位和流量。但这些水工建筑物的兴建，必然会改变天然河流原有的水流状态，主要表现在以下两个方面：①修建挡水建筑物之后，必然壅高上游水位，使挡水建筑物上游积聚了较大的水流能量（主要是势能），而挡水建筑物又不可能将上源源不断的来水全部拦蓄在水库以内，必然要从溢洪道、泄洪洞、坝泄水孔等泄水建筑物泄出一部分水流，在泄水工程中，上游水流积聚势能必将转化为动能，使下泄水流具有较高的流速。②由于水利工程枢纽布置的要求和为了节省工程造价，建筑物泄水宽度总是小于原有河床宽度，这就使得下泄流量相对集中，单宽流量较大。而下游河道对同样流量有其与原河床的断面形状、尺寸、底坡、粗糙系数及其它地形地质条件相适应的正常流动情况，一般来讲，这种正常流动情况下，水流分布比较均匀，流速较小。如此一来，就产生了从泄水建筑物泄出的高速集中水流如何顺利地衔接过渡到下游正常流动情况这一问题，即泄水建筑物下泄水流的衔接过渡问题。如果对水流的衔接过渡不加控制，或者控制措施不当，都可能给工程建设造成严重的后果。概括起来讲，会产生这样两个问题：第一，集中泄出的水流可能严重冲刷河床、河岸，甚至危害建筑3物的安全。第二，水流集中泄出，可能使下游水流在平面上形成不良的流动情况，影响枢纽的正常运行。水力学中泄水建筑物下游水流衔接与消能的主要任务就是在确保闸坝安全、程费用较省而又合乎流态要求的条件下，研究消除余能的具体方式。通过采取一定的工程措施，利用有效的衔接方式，使下泄水流挟带的余能在较短的距离内转化为热能、声能逸散于空气之中，避免冲刷河床岸坡，保证水工建筑物的安全。而实现消能的唯一方式就是依靠水流内部的相互摩擦和碰撞，促使水流分散掺气。因为水流内部相对运动越是急剧紊乱，消能效果就越好。因此，工程实际中常常利用下泄水流形成的大的漩滚来消能。另外，水流扩散之后，既使射入下游河道的水量分散，也使能量分散，况且水流掺气之后密度减小，对河床的冲刷作用也会相应地减弱。根据这样一个原则，工程实践中已形成了一些有较好消能效果的衔接消能方式。三、泄水建筑物下游水流的消能方式水工实践中的衔接消能措施种类繁多，但从水力学角度来看，研究衔接消能问题实质上是分析从泄水建筑物泄出的高速射流按不同方式射入下游河道的低速广阔水域中，通过扩散、混掺作用消耗大量余能的过程。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）底流型衔接消能；（2）挑流衔接消能；（3）面流型衔接消能。4实际工程中的消能措施有时不是单一的某一种衔接消能方式，而是两种甚至三种衔接消能方式的混合应用。如消力戽消能就是底流型衔接消能与面流型衔接消能的结合。1、底流型衔接消能底流式消能就是在泄水建筑物下游采取一定的工程措施，使沿建筑物下泄的急流贴槽底射出，利用水跃原理，有效地控制水跃发生的位置，使下泄的高速水流通过水跃转变为缓流，通过主流在水跃区的扩散、混掺达到消能的目的。这种衔接消能方式中，高流速的主流位于底部，故称为底流型衔接消能。如图1所示。2、挑流型衔接消能挑流型衔接消能就是利用下泄水流所挟带的巨大动能，采用挑流鼻坎因势利导将水股挑射空中，后跌落在离建筑物较远的下游，使射流所造成的冲刷坑不会危及水工建筑物的安全。下泄水流的余能一部分在空中消散，大部分则在水股跌入下游冲刷坑水垫塘之后，通过水股前后两侧的水滚而消除。如图2所示。3、面流型衔接消能面流型衔接消能就是在建筑物的出流部分采用跌坎，将泄出水流导入下游水域表层（当然要求下游水深比较大而且比较稳定），主流和河床之间由巨大的底部图1图2图35漩滚隔开，避免了高速主流对河床的冲刷。余能主要通过水舌扩散、流速分布的调整以及底部漩滚主流之间的相互作用而消除。由于衔接消能段高速主流位于表层，故称为面流型衔接消能。如图3所示。4、戽流型衔接消能戽流型衔接消能是在溢流坝末端建造一个具有较大反弧半径和挑角的形同戽勺的鼻坎，下泄水流由于受到下游水位的顶托，在戽内形成表面漩滚，主流则仍然贴着戽壁沿鼻坎挑起，形成涌浪，并向下游扩散，同时在鼻坎下产生一个反向漩滚，涌浪后面产生一个微弱的表面漩滚，即“三滚一浪”是戽流型衔接消能的典型流态。其余能主要是依靠戽内漩滚、鼻坎下底部漩滚以及涌浪后的掺气和扩散过程来消除。如图4所示。四、水流衔接消能新技术1、宽尾墩宽尾墩消能工是我国学者林秉南院士和龚振赢在二十世纪七十年代首创的一种新型消能工，在坝工消能方面产生了重要的影响。宽尾墩可以加强水流的横向分散和掺气，并且可以与其他消能型式联合应用。目前这种消能工与挑流底流戽流等消能型式相结合已成功的应用于多项工程中。宽尾墩过流的特点:水流与空气的接触面积增大,增加了水流的掺气量和水流的紊动,有利于坝面的防蚀;水舌大量掺气，使下游水垫单位面积上的水流冲击力大大减小,减轻了对河床的冲刷。图462、掺气分流墩为了缩短消力池长度，减小消力池的深度，以降低泄水建筑物造价，早期人们在消力池中加设了各种各样的墩坎等辅助消能工，以达到控制水跃、分散水流、加强紊动剪切和混掺的目的。由于消能墩的局限性，到二十世纪七十年代人们突破了仅在池内设消能工的方式，开始在消力池前的陡坡上设置消能工。此种在消力池前的陡坡上设置的，起分流掺气作用的墩，就称之为掺气分流墩。它的运用，可以有效的改善消力池的流态，提高了消能效果。3、台阶式坝面消能工通常，为了使溢洪道能顺利过流，溢洪道泄槽常采用光面混凝土，光面泄槽的摩阻力小，水舌在溢流面上流过时消耗的能量很少，绝大部分的能量要在泄槽末端消能工中消除，因此要求下游设置庞大的消能工。这样一方面增加了下游消能工的压力，另外还要充分考虑溢洪道与下游消能工的布置问题。为了寻觅更为经济合理的溢流泄槽形式，从二十世纪七十年代开始，台阶式泄槽溢洪道开始被研究，并逐步应用到实际工程中。4、阶梯式溢流技术所谓阶梯式溢流坝就是将溢流坝的表面做成阶梯状，通过阶梯与水流之间的相互作用而消耗水流的动能。研究表明，阶梯式溢流坝消能效果好，当其与碾压混凝土坝相结合时，还可节约投资，缩短工期。5、孔板消能技术7在前面所述的各种消能方式中，消能设施均位于泄水建筑物的下游（如挑流、底流和面流）或建筑物的外部（如阶梯式溢流坝），可称为外消能，对于管（洞），除了可以在出口后设置消能设施外，还可以在管（洞）内设置消能设施，称为内消能。孔板消能是国内外研究的较多的一种内消能技术。所谓的孔板消能就是在管内设置一个或数个内径小于管直径的孔板，水流通过孔板时，流线收缩，再扩散，从而将水流的部分能量以局部水头损失的方式加以消耗。黄河小浪底水利工程的泄洪洞采用了孔板消能技术，显示了孔板消能的良好的消能效果。6、旋转消能技术所谓的旋转消能技术就是设置某种起旋装置，使管(洞)内的水流成为附壁的螺旋流，借以消除水流的动能。显然，旋流消能也属于内消能。在结构布置上，旋流消能可以布置水平管（洞）中，也可以布置在竖直或倾斜的管（洞）中。应该说明的是，竖井旋流条件下，通常需要在竖井底部设置水垫，以进一步增强消能效果和保护竖井底部不被高速下落水流冲刷破坏，同时，应注意对竖井边壁的保护。7、多级消能工的联合运用在很多工程中，仅用一种消能方式消能往往不能达到理想的效果，因此，在实践中各种消能工的联合使用便越来越普遍的受到了重视。有多级消力池共同消能、消力池+宽尾墩联合消能、消力池+低坎分流墩联合消能、阶梯消能+消力池联合消能。8五、结语消能是水流在运动过程中因克服各种阻力做功，消能的多少取决于水流机械能做功的情况，做功的主要形式多表现为水流于边界相互作用由切应力形成的摩擦阻力和维持紊动水流中的漩涡运动。各种消能方式均有利弊，在实际工程中，应根据具体情况选择合适的消能方式，以确保洪水安全下泄，节省水工建筑物造价，增加水利工程的使用寿命。参考文献【1】吴持恭.水力学：下册[M].北京：高等教育出版社，2008。【2】林秉南.我国高速水流消能技术的发展[J].水利学报：1985,5.【3】刘士和.高速水流-科学出版社：2005