牛寨節(jié)制閘綜合式消力池計算分析

張 鑫

（河北省水利水電第二勘測設計研究院，石家莊050021）

水工設計

牛寨節(jié)制閘綜合式消力池計算分析

張 鑫

（河北省水利水電第二勘測設計研究院，石家莊050021）

結合工程實例，通過對牛寨節(jié)制閘綜合式消力池及無輔助消能設施的綜合式對比計算分析，證明了輔助消能設施對于減小消力池深度和長度的有效性，總結了消能計算成果的一般規(guī)律及綜合式消力池消力坎的高度和消力池深度在整個消能過程中的相互轉換關系。

綜合式消力池；輔助消能設施

1 工程概況

牛寨節(jié)制閘位于河北省邢臺市威縣老沙河末端，主要作用是攔蓄瀝水、排澇泄洪。該閘原為四連桿鋼筋混凝土結構浮體閘，建成于1977月6月，設計流量446m3/s，校核流量643m3/s，1981年8月啟閘蓄水時損壞，此后一直未能修復。1990年啟動了該閘的改建工程，將浮體閘門拆除，改建為升臥式鋼閘門，并維持原設計標準。改建后共布置升臥式鋼板閘門3扇，閘孔凈寬9.2m，閘門高4.3m，閘室為分段式底板結構，閘前設計蓄水深4m，下游消力池改建為帶有趾墩、消能墩等輔助消能設施的綜合式消力池，其中趾墩0.4m×0.5m （寬×高），間距0.4m，消能墩0.9m×1.2m（寬×高），間距 1.2m，消力池深 1.3m，消力坎高1.2m，消力池長12.165m。

2 計算方法

綜合式消力池計算采用 《水力計算手冊》（第二版）［2］及 SL265—2001《水閘設計規(guī)范》［3］相關公式，計算如圖1所示。

圖1 綜合式消力池計算簡圖

2.1 消力坎高及消力池深

2.1.1 消力坎高

2.1.2 消力池深

式中 q為過閘單寬流量（m2/s）；m為流量系數；H10為坎前總水頭（m）；T0為由消力池底板面起算底總勢能（m）；Frs為消力坎后弗汝德數；φ1為坎后水流收縮斷面流速系數，一般取0.95；σ為水躍淹沒系數，取1.05；α為水流動能校正系數；h″f為受消能墩影響的躍后水深（m）；其他如圖1所示。

2.2 趾墩及消能墩高

2.2.1 趾墩

由于趾墩的存在，使收縮水深加大為hc1，可由式（9）算出：

式中 hcr=hc1/hc；hc為收縮水深（m）。

2.2.2 消能墩

加設消能墩可以增加消能效率，降低躍后水深，根據《水力計算手冊》（第二版）的相關計算方法，迎水面垂直的消能墩，其墩高可根據收縮斷面的弗汝德數由圖2查出；設置消能墩后的躍后水深h″f可由圖3查出，h″f為未設輔助消能工的躍后水深。

3 算例

當該閘閘前水位高于正常蓄水深度4m時，水閘將開啟部分或全部閘門泄流。依據閘門的運行管理規(guī)則，分別復核計算中間1孔開啟0.5m，兩邊孔關閉；3孔均開啟0.5m；中間1孔開啟1.0m，兩邊孔對稱開啟0.5m；3孔均開啟1.0m；中間1孔開啟1.5m，兩邊孔對稱開啟1.0m；3孔均開啟1.5m……以此類推情況下的消能計算。

3.1 泄量～下游水深關系

假定上游水位不變，根據平底閘閘孔泄流量公式計算閘門開啟不同孔數及每扇閘門不同開度時的過流能力。通過試算可得到不同閘門開度的泄量～下游水深關系。

本算例的泄量～下游水位關系如表1所示，其中每一級的下游水深對應上一級的閘門開度。

表1 泄量～下游水深關系 單位：m

3.2 綜合消能計算

根據表1泄量～下游水深關系進行消能計算。以3孔全開，閘門開度為0.5m為例計算如下。

綜合式消力池的計算有試算法和迭代法［4］，本次計算采用試算法，假定消力池深S=0.34m，通過EXCEL表格試算得出。

上下游地面差d=1.2m上游河道水深H=4m，上游河道流速v0=0.35m/s，T0=5.546m。

取式（7）中 φ=0.85，動能修正系數 α 取為 1.0，試算得出hc=0.383m，根據關于趾墩的相關假定，趾墩的高、寬及間距均等于未修建趾墩時的收縮水深。

修建趾墩后可使收縮斷面水深hc增加為hc1，由式（9）進行試算，得出修建趾墩后的收縮水深hc1=0.452m。

修建消能墩可增加消能效率，降低躍后水深，由圖2得出消能墩高h3=0.54m；查圖3得″=0.88。

故考慮消能墩后的躍后水深hf″=1.75m。

由式（1）～式（8）可求得 c=0.25m。 為安全起見，將坎高較計算值稍低一些，使坎后形成稍有淹沒式水躍，故坎高取0.2m；消力池深度為0.34m，與假設消力池深度值一致。

3.3 計算成果

綜合式消力池計算成果如表2所示，無趾墩、消能墩的普通式消力池計算成果如表3所示。

表2 綜合消力池消能計算成果（有趾墩、消能墩） 單位：m

表3 一般式消力池計算成果 單位：m

4 計算成果分析

建有趾墩、消能墩的綜合式消力池計算成果如圖4所示，無趾墩、消能墩的消力池計算成果如圖5所示。

圖4 綜合式消力池（建有趾墩、消能墩）計算成果

圖5 消力池（無趾墩、消能墩）計算成果

兩種情況下的消能計算成果均表明消力池最大深度發(fā)生在泄流初期，當3孔開度均為1m時，消力池深達到最大，而后隨著閘門逐漸開啟，泄流量不斷增大，下游水深抬高的速率加快，消力池計算深度逐漸減??；與此相反，消力坎最大高度發(fā)生在泄流后期，消力坎高隨著下游水深的升高而稍增加，故表明消能的主要設施由消力池向消力坎轉換。當消力池深達到負值前即不需要消力池前，消力坎高度達到最大，隨后消力坎高度也逐漸減小。消力池深度和消力坎高度之和（即綜合消能設施）在泄流中后期達到最大值，而后隨著下游水深的加大而逐漸減小。趾墩、消能墩的高度與單寬流量成正比，其可改善水閘泄流進入消力池內的始流條件。將水流挑起，然后再躍人池內，從而在池中產生水躍消能［5］。

一般式消力池與修建了趾墩、消能墩的綜合式消力池長度計算成果對比如圖6所示。

圖6 消力池長度計算成果對比

從圖6可以看出，在閘門同樣開度計算條件下，修建了消能輔助設施的綜合式消力池長度均小于未修建的計算長度，3孔閘門開度均為1.5m時，消力池長度縮短近40%。輔助消能的趾墩、消能墩等輔助消能設施可有效地縮短消力池長度。

5 結語

（1）復合式消力池的最大消力池深度發(fā)生在泄流初期，而消力坎最大高度發(fā)生在泄流后期，二者之和在泄流中后期達到最大后逐漸減小。

（2）修建了趾墩、消能墩等輔助消能設施的綜合式消力池可以有效縮短消力池長度。

［1］張志昌，李若冰，趙瑩，等.綜合式消力池深度和坎高的計算［J］.西安理工大學學報，2013（1）.

［2］李煒.水力計算手冊（第二版）［K］.北京：中國水利水電出版社，2006.

［3］SL265—2001，水閘設計規(guī)范［S］.

［4］辛效明.設計綜合式消力池的簡便計算［J］.山西水利科技，2007（2）.

［5］馮建江，陳海雄.水閘消能效果分析研究［J］.中國水利，2010（8）.

The Analysis for Hydraulic Calculation of Niuzhai Regulator Comprehensive Stilling Basin

ZHANG Xin
（The Second Research and Design Institute of Water Conservancy and Hydropower of Hebei,Shijiazhuang 050021，China）

Combined with the engineering example， the effectiveness of the auxiliary energy dissipation facilities for reducing the depth and length of stilling basin is proved by comparing the Niuzhai Regulater comprehensive stilling basin with auxiliary energy dissipation facilities and without them.The general rule of the energy dissipation calculation and the conversion relationships between the depth of stilling basin and the height of ridge are summarized.

comprehensive stilling basin；auxiliary energy dissipation facilities

TV653

B

1672-9900（2014）04-0009-04

2014-03-18

張 鑫（1981-），男（漢族），河北石家莊人，工程師，主要從事水工結構設計工作，（Tel）13398610150。