渠系水閘下游消能-W型消力檻

□朱穎放 □楊長(zhǎng)庚 □盧 瑕（河南省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限公司）

1 渠系水閘下游消能情況

渠系水閘閘室與消力池連接處出現(xiàn)邊界突變的尖角點(diǎn)，由于水流質(zhì)點(diǎn)具有維持原來(lái)運(yùn)動(dòng)方向前進(jìn)趨勢(shì)的慣性作用，不能沿著突變的邊界作急劇的轉(zhuǎn)折運(yùn)動(dòng)，因而從閘室末端的邊界突變點(diǎn)開始，水流脫離邊界運(yùn)動(dòng)在梯形斷面消力池的邊坡上形成旋渦，從而壓縮主流，形成了類似收縮段的水流流態(tài)，使高速水流較難擴(kuò)散、消能，將給下游渠道帶來(lái)較嚴(yán)重的沖刷。在普通消力池底板上修建一道W 型消力檻，是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效果顯著的消能工，能夠較好的解決水流平面擴(kuò)散問(wèn)題。

2 W型消力檻

對(duì)于閘室出口為直角形翼墻與梯形斷面消力池相連接的布置型式，若仍采用修常規(guī)底流消力池的方式消能，雖然能夠在鉛直平面內(nèi)強(qiáng)迫水流發(fā)生水躍，消除一定的過(guò)閘水流動(dòng)能，但是并沒(méi)有解決水流的平面擴(kuò)散問(wèn)題，仍然在閘下出現(xiàn)折沖水流，使出消力池的水流仍然具有較大的余能，在下游相當(dāng)長(zhǎng)的渠段內(nèi)底部流速仍大于渠道不沖流速，需要對(duì)下游渠道進(jìn)行護(hù)砌。

旋渦的產(chǎn)生是水流邊界層脫離固體邊界所造成的。對(duì)于這種布置型式，若在閘室下游修建合適的消能工—W 型消力檻，使消力池兩側(cè)邊坡部位的旋渦減弱、減小，從而達(dá)到消除折沖水流、改善下游水流流態(tài)的目的。

2.1 W型消力檻消能原理

閘室出口的水流與明渠均勻流不同，其最大流速分布不是在上層，而是靠近底部。W型消力檻對(duì)閘下水流流態(tài)的改變可以從鉛直面和水平面上分別加以分析。

2.1.1 鉛直面

底部高速水流遇到W檻后，向上轉(zhuǎn)折，加速水流的紊亂，水流流速梯度變小（即流速分布趨于均勻），平均流速減小，消除了過(guò)閘水流的部分動(dòng)能。

2.1.2 水平面

出閘室水流的主流在渠道中間，W 檻的中間檻起到分流墩的作用，使主流向兩側(cè)分離。W檻檻面與水流方向成450°角，當(dāng)水流撞擊W 檻后將發(fā)生900°轉(zhuǎn)折，相互碰撞，由于中間流速高于兩側(cè)流速，主流在垂直水流方向上往兩側(cè)擴(kuò)散，主流區(qū)變寬，流速迅速降低，邊界層厚度增加，使得邊界層外層（即旋渦區(qū)）范圍減?。ㄒ?jiàn)圖1）。使閘下水流流速降低到允許流速以內(nèi)，避免了渠道沖刷。

圖1

2.2 W型消力檻在工程中的應(yīng)用

在工程建設(shè)中，對(duì)W 型消力檻的位置、高度和寬度做了一些實(shí)踐和研究。

W 檻的位置若太靠近閘室，達(dá)不到擴(kuò)散水流的目的，仍將在下游出現(xiàn)折沖水流，若離閘室過(guò)遠(yuǎn)，勢(shì)必增加工程數(shù)量，合適的W檻位置距閘室1～1.50倍的下游渠道水深；消力檻的高度以1/3的下游渠道水深為宜，檻過(guò)低不能折擋底部高速主流，檻過(guò)高則降低水閘的過(guò)流能力；消力檻的寬度與閘室同寬為宜。

以前曾在一些灌區(qū)工程中應(yīng)用了這種消能型式，整個(gè)消能護(hù)砌段長(zhǎng)度約為4～5倍的下游渠道水深，比一般消力池縮短了一半以上。從工程運(yùn)行的情況來(lái)看，下游一般沒(méi)有發(fā)生沖刷，即使發(fā)生沖刷，沖刷坑也很淺，而且對(duì)稱。所以W型消力檻在解決渠系水閘的下游消能問(wèn)題中是比較成功的。

3 結(jié)語(yǔ)

低水頭、小流量水閘與下游梯形斷面消力池采用直角形翼墻連接結(jié)合W 型消力檻消能，與常規(guī)底流消力池相比，不但施工簡(jiǎn)便，可以大大節(jié)約工程量，而且消能效果顯著。因此這種消能布置型式在灌溉渠系上還是值得大力推廣的。