關(guān)于水閘消力池深度計算的探討

趙 斌

（河北省水利水電第二勘測設(shè)計研究院，石家莊 050021）

消力池是常用的消能工之一，確定池深度是消力池設(shè)計的重要內(nèi)容，在 《水閘設(shè)計規(guī)范》推薦的消能公式中，消力池下游水深是個重要參數(shù)，其對于消力池深度計算影響較大。對于無閘門控制的溢流堰，一般上、下游水位變化較緩慢，隨流量的增加下游水位也基本同步上升，按上述公式計算的成果一般是能夠滿足工程需要的。而對于有閘門控制的建筑物，在閘門開啟過程中，下泄流量逐漸加大，下游渠（河）道內(nèi)形成洪水波向前推進，水位不能隨流量的增加而同步上升，出現(xiàn)滯后的現(xiàn)象。為了考慮這種影響，目前工程中常將閘門開度分成幾個檔次 （一般以0.5m為一檔），計算時將與上一檔次泄量相應(yīng)的水深作為下游水深。然而，有時對于不同的水閘，這種方法所得的結(jié)果未必偏于安全。本文將分析下游水深取值對消力池深度計算的影響，為了保證工程安全，對消力池設(shè)計提出了建議。

1 計算公式

《水閘設(shè)計規(guī)范》 （SL265-2001）附錄B推薦的消力池深度計算公式 （簡稱消能公式）為：

其中：d——消力池深度 （m）；

σ0——水躍淹沒系數(shù)，可采用1.05～1.10；

ht——消力池下游水深 （m）；

△Z——出池落差 （m）；

hc——收縮水深 （m）；

b1——消力池首端寬度 （m）；

b2——消力池末端寬度 （m）；

T0——由消力池底板頂面算起的總勢能（m）；

q——單寬流量 （m3/s/m）。

2 算例與分析

某排水閘孔口尺寸5.5m，閘前設(shè)計水深6.4m，消力池為矩形斷面，水平段寬7.5m，消力池后有約50m長的泄水渠與主河道連接，河道常年無水。泄水渠過水斷面為梯形，底寬7.5m，縱坡1/2000，采用漿砌石襯砌，末端與河槽底高程相同。試通過水力計算確定消力池深度。

由于排水渠較短，不能形成明渠均勻流，因此消力池下游水深由退水渠末端向上游推水面線得到。

消力池下游水深與流量關(guān)系見表1，計算過程從略。

閘門開度按0.5m為一檔次，分別按 “消能公式”計算不同開度時所需要的消力池深度，選用其中的最大值作為最終結(jié)果。下面分別按兩種不同方法進行計算，并將計算成果列于表2和表3中。

方法一：將與上一檔次泄量相應(yīng)的水深作為下游水深。

方法二：將同一檔次泄量相應(yīng)的水深作為下游水深。

一般的，對于同一水閘，當上游水頭、過閘單寬流量等基本條件一定時，下游水深越深越容易形成淹沒水躍，所計算的消力池越淺。但從表2、3的計算結(jié)果可以看出，當考慮下游水深滯后影響，采用與上一檔泄量相應(yīng)的水深作為下游水深時，消力池深度反而比按同一檔泄量相應(yīng)的下游水深計算值小。表4所列為消力池末端每一檔開度的流量所對應(yīng)的臨界水深。

經(jīng)比較可以看出，方法一所采用下游水深均小于計算泄量相應(yīng)的臨界水深，即上一檔的水深小于本檔的臨界水深。在單級消力池設(shè)計中，一般不應(yīng)使出池水流為急流，即采用 “消能公式”進行池深計算，下游水深不應(yīng)小于臨界水深。本例中，正是因為采用小于臨界水深數(shù)值作為下游水深，才使得消力池計算深度偏淺。

通過上述算例分析，本文對于水閘消力池設(shè)計提出以下建議：

（1）在進行水閘消力池深度計算時，若考慮下游水位上升滯后現(xiàn)象，將與上一檔次泄量相應(yīng)的水深作為下游水深，應(yīng)參照閘門調(diào)度方案，根據(jù)實際情況確定下游水位泄量關(guān)系，并驗算各檔泄量出池臨界水深，分析下游水深的選取是否合理。

（2）在工程布置上，應(yīng)保證消力池中產(chǎn)生一定淹沒度的水躍。當下游水深較淺時，應(yīng)充分考慮消力池下游的防沖措施。若經(jīng)驗算下游可能出現(xiàn)遠趨式水躍，應(yīng)考慮設(shè)多級消力池或采取其它工程措施，避免沖刷破壞。

3 結(jié)論

通過對消力池深度計算公式進行分析不難看出，若上游水頭、過閘單寬流量等基本條件一定， 當下游水深大于臨界水深時， 消力池計算深度隨下游水深的減小遞增； 當下游水深小于臨界水深時， 消力池計算深度隨下游水深的減小遞減。即， 當下游水深為臨界水深時， 消力池深度達到最大值。因此， 人為的選取下游水深， 有可能使計算結(jié)果偏于不安全。對于不同的下游邊界條件， 應(yīng)具體問題具體分析。

表1 消力池下游水深－流量關(guān)系表

表2 消力池深度計算成果表 （方法一）

表3 消力池深度計算成果表 （方法二）

表4 消力池末端臨界水深計算成果表

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