泄水建筑物消能設(shè)計

許美芳，宋廣旭

(湯原縣水務(wù)局，黑龍江湯原154700)

1 引言

建筑物的下泄水流具有以動能為主的大量機(jī)械能，對河床和下游渠道會產(chǎn)生強烈的沖刷，消能防沖是泄水建筑物設(shè)計中的一項主要內(nèi)容。從物理概念說，能量是不能消掉的，實際上我們要做的只是設(shè)法使有危害的機(jī)械能盡量轉(zhuǎn)換成熱能而消散去，讓水流在預(yù)計的空間，通過水與水、水與固體邊界、水與空氣等各種相互摩擦、混摻、沖擊、碰撞等方式，實現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換。消能方式可按高速主流的位置與狀態(tài)分為底流水躍消能、挑流消能、戽斗或跌坎面流消能等幾類。

2 水躍消能

水流由急流過渡到緩流，會產(chǎn)生一種水面突然躍起的特殊的局部水力現(xiàn)象，稱為水躍。

水躍的運動要素變化得很劇烈。上圖繪出了水躍段中和躍后一些斷面上的流速分布圖。從圖中可以看出，流速急劇變化和水躍段中最大流速靠近底部的情況。在水躍表面旋滾與主流的交界面附近旋渦強烈，從而導(dǎo)致該處水流的激烈紊動、混摻，使得紊流的附加切應(yīng)力遠(yuǎn)較一般漸變紊流的為大。很大的紊流附加切應(yīng)力使躍前斷面水流的大部分動能在水躍段中轉(zhuǎn)化為熱能而消失。在躍后斷面2－2處，流速的分布還是很不均勻的(見圖1)。同時，該處的紊流強度也遠(yuǎn)較正常的漸變紊流為大。直到斷面3－3處，紊流強度才基本恢復(fù)正常。斷面2－2與斷面3－3之間的流段稱躍后段。

圖2中表面旋滾起點過水?dāng)嗝?－1稱為躍前斷面，該斷面處水深稱為躍前水深。表面旋滾末端的過水?dāng)嗝?－2稱為躍后斷面，該斷面處的水深h2稱為躍后水深。躍前、后水深之差稱為躍高，之間的距離稱為躍長。

首先需要判斷水躍發(fā)生的位置，判斷時可視收縮斷面處水深為躍前水深，下游河渠中的水深為水躍發(fā)生的躍后水深。

當(dāng)ht=h2時，水躍恰好發(fā)生于收縮斷面處，稱為臨界式水躍銜接。這種銜接形式不夠穩(wěn)定，下游水深稍有變化即將導(dǎo)致水躍位置的移動。

當(dāng)ht＜h2此時下游水流的斷面比能大于臨界水躍躍后斷面的比能，使水躍涌向上游并淹沒了收縮斷面，形成淹沒式水躍銜接。

當(dāng)ht＞h2此時水流通過收縮斷面之后還有一段壅水的急流，這種銜接型式稱遠(yuǎn)離式水躍銜接。

遠(yuǎn)離式水躍因急流段需要保護(hù)而不經(jīng)濟(jì)，淹沒式水躍當(dāng)淹沒度較大時消能效率比較低，同時水躍段的長度也比較大，臨界水躍消能效率比較高，需保護(hù)的范圍也最短，但是水躍發(fā)生的位置不夠穩(wěn)定。因此，在實際的工程中采用的是稍有淹沒的水躍銜接。

3 底流消能的設(shè)計

在尚未采取工程措施時，經(jīng)判斷自然銜接發(fā)生遠(yuǎn)離式水躍時，便可決定采取工程措施修建消能池。其主要的設(shè)計計算任務(wù)就是計算消能池的挖深和池長。

3.1 池深的確定

池末局部水深hT略大于臨界水躍的躍后水深h″c1可表達(dá)為:

式中:σ為水躍的淹沒安全系數(shù)，一般取σ=1.05～1.10。

應(yīng)用水躍方程，有:

式中:收縮斷面水深hc1可由下式求得:

在對消力池出口水流段能量方程:

式中:φ為流速系數(shù)。

以上4個方程構(gòu)成的方程組，可求得消能池的挖深。

如果忽略計算式中的流速水頭Δz，并以尚未降低底坎時的臨界躍后水深替代，即可得到初步估算的近似公式:

圖1 水躍流速示意圖

圖2 水躍斷面示意圖

3.2 消力池長的確定

消力池過長將增加不必要的工程投資，池長不夠，即使池深足夠也不能在池中形成消能充分的水躍，底部主流甚至?xí)鱿Τ貨_刷下游河床。顯然合理的池長應(yīng)從平底完全水躍的長度出發(fā)考慮。但是消力池中的水躍受到底坎的阻擋作用能量有所減少，實驗表明它的長度要比無坎阻擋的完全水躍縮短20%～30%。

池長計算:

式中:Lj為平底完全水躍長度。

4 實例應(yīng)用

已知條件:某泄水建筑物尾水總過流量為20 m3/s，過水寬度6 m。泄水閘門上游水位105.000 m，閘底板頂面高程100 m，消力池首末端寬度6 m，下游渠道水位102 m，下游渠底高程100 m，流速系數(shù)φ=0.95，淹沒系數(shù)σ =1.05。

應(yīng)用第三節(jié)所敘述的設(shè)計計算方法進(jìn)行消力池計算:

消力池深s=0.421 m;消力池長Lk=10.427 m;躍前水深hc=0.352 m;躍后水深hc″=2.367 m;實際工程中取消力池深0.5 m，池長11 m。

5 結(jié)語

合理布置水利樞紐工程的泄水工程，確保洪水安全下泄，是水工設(shè)計中的重要一項。底流消能歷史悠久，因其流態(tài)穩(wěn)定，消能效果好，對下游沖刷較輕，且無水霧干擾，故應(yīng)用廣泛。他適用于各種水頭、流量及地質(zhì)條件。但底流消能也存在其缺點，消力池的工程量較大，工程投資高，當(dāng)泄流高差較大時，高速水流對過流斷面能造成空蝕破壞。

［1］中華人民共和國水利部.GB/T50265－97泵站設(shè)計規(guī)范［S］.北京:中國計劃出版社，1997.

［2］王世夏.水工設(shè)計的理論和方法［M］.北京:中國水利水電出版社，2000.

［3］欒鴻儒.水泵及水泵站［M］.北京:中國水利水電出版社，2006.

［4］張慧麗，王愛華，張力春.底流消能及其在工程上的應(yīng)用［J］.黑龍江水利科技，2009，37(2):82.