水跃消能(hydraulic jump energy dissipation)指通过
水跃,将
泄水建筑物泄出的急流转变为缓流,以消除
动能的消能方式。因其主流位于渠槽底部,故又称
底流消能。
消力池深度与消力坎高度可通过水力计算确定,也可利用辅助图表进行计算。消力池长度一般为平底自由水跃长度的70%~80%。消力池形式很多,较常见的有平底矩形断面消力池、斜坡消力池、扩散与收缩型消力池和梯形断面消力池等。为了提高消力池消能效果,减小消力池深度和长度,常在池中设置辅助
消能工,常见的有分流趾墩、
消力墩及
尾槛等。
当跃前流速大于15m/s时,
水跃前部的辅助消能工易遭空蚀破坏,不宜采用。水流出消力池后,底部流速仍较大时,应根据河床地质情况,设置
海漫、
防冲槽等
防冲设施。对于重要工程,水跃消能方案,要由
水力模型试验确定。
水跃消能主要靠
水跃产生的表面旋滚及旋滚与底流间的强烈紊动、剪切和掺混作用。它具有流态稳定,消能效果较好,对地质条件和尾水变幅适应性强,尾水波动小,维修费用省等优点。但
护坦较长,
土石方开挖量和混凝土方量较大,工程造价较高。上游水位到跃首断面的落差大,故该处流速高,当
弗劳德数Fr低时,消散的动能少,即余能多,而余能主要就是跃后水深表达的位能。水跃消能应用很广,适于高、中、低水头,大、中、小流量各类
泄水建筑物。
在工程上,水跃消能要设计成能产生具有一定淹没度σ (σ =1.05~1.10)的
水跃,此时水跃消能的可靠性大,流态稳定;但淹没度不能过大,否则将使消能率降低,
护坦长度增加。
临界水跃消能效果最好,但流态不稳定,有时会产生远驱水跃,河床需要保护的范围反而长,设计时要设法避免。为此可采用以下三种措施:
①降低护坦高程形成
消力池;②在护坦末端设置
消力坎,使坎前形成消力池;③既降低护坦高程,又建造消力坎形成综合消力池。
护坦用来保护河床不受
高速水流冲刷。护坦长度应在水跃末端下游延伸一段距离。护坦厚度在自重、
扬压力、时均水压力和脉动水压力等荷载作用下,应满足稳定要求,多做成上游厚下游薄。
护坦下设排水以减小扬压力。护坦抗浮稳定
安全系数小时,可用
锚筋加固。护坦应设温度
伸缩缝;纵、
横缝应设止水。为防止水流淘刷,护坦末端,可设齿坎或齿墙。
水跃消能历史悠久,应用广泛。苏联
萨扬舒申斯克水电站溢流
重力拱坝消力池是迄今水头最高的水跃消能工程,工作水头为220m。葛洲坝水利枢纽二江
泄水闸,也采用水跃消能,泄流能力达84000m3/s。 辽宁省的
白石水库也是采用水跃消能。