水閘挖深式消力池消能設(shè)計研究

程漢昆，欒俊亮

（大連市水利規(guī)劃設(shè)計院，遼寧 大連116021）

泄水建筑物下游水流銜接與消能常見的類型有：底流消能、挑流消能及面、戽流消能。平原地區(qū)的水閘，由于水頭低，下游水位變幅大，一般都采用底流式消能。底流消能主要的型式又分為：尾坎式、挖深式及綜合式。底流消能是利用水躍的原理，靠水躍產(chǎn)生的表面旋滾與底部主流間的強烈紊動、剪切和摻混作用消除余能。

消力池的消能設(shè)計主要是確定消力池的池深及池長。隨著過閘流量的不同，產(chǎn)生的水躍及上下游的銜接形式也不盡相同，因此，在進(jìn)行消力池設(shè)計的時候，將過閘流量分成幾種工況來分別計算是有必要的。

1 計算方法

挖深式消力池示意圖見圖1。計算公式參考《水閘設(shè)計規(guī)范》附錄B及《水力計算手冊》。

圖1 挖深式消力池

1.1 消力池池深d的計算

如圖1，建消力池前，收縮斷面的位置在c1-c1處，發(fā)生遠(yuǎn)驅(qū)式水躍，需要將下游河床挖深一定的深度形成消力池，目的是加大下游水深。護(hù)坦高程降低一個d值后，收縮斷面的位置將由斷面c1-c1下移至c-c處，收縮水深相應(yīng)由hc1變成hc，E0=E′0+d。

由圖1可以看出，消力池的水深應(yīng)稍微大于hc的共軛水深，即滿足下式：

式中：σ水躍淹沒系數(shù)，一般取1.05；h″c護(hù)坦高程降低后收縮水深hc的躍后水深。

又由圖1中幾何關(guān)系，消力池內(nèi)的水深h″等于下游水深hs、池深d和△Z之和。即：

△Z是當(dāng)水流由消力池進(jìn)入下游河道時，由于豎向收縮，過水?dāng)嗝鏈p小，動能增加，水面產(chǎn)生的跌落，其值可由能量方程求得。

對消力池出口上游斷面1-1及下游斷面2-2列出能量方程式，以通過下游斷面2-2底部的水平面作基準(zhǔn)面，得：

整理成：

令α1=1；并以帶入式（4），則得：

式中：φ′消力池流速系數(shù)，它決定于消力池出口處的頂部形式，一般取0.95。

將（2）式帶入到（1）式中，則消力池深度d的計算公式為：

若將式（6）中的△Z忽略，以河床高程計算收縮水深，可得到粗略的估算池深的公式：

及（5）、（6）4個方程聯(lián)合求解消力池深度d。但d和h″c之間是一個復(fù)雜的隱函數(shù)關(guān)系，故求解d時常用到試算法或圖解法。

1.2 消力池池長Lk計算

消力池的作用是將水躍穩(wěn)定在池內(nèi)，按道理其長度應(yīng)與水躍長度相當(dāng)，但消力池內(nèi)的水躍受到消力池末端的垂直壁面產(chǎn)生的一個反向作用力，減小了水躍的長度，池內(nèi)實際上產(chǎn)生的是強迫水躍。所以，消力池內(nèi)的水躍長度僅為平底自由水躍長度的70%~80%。

由此可得，消力池長度為Lk=（0.7~0.8）Lj，其中Lj為平底渠道中的自由水躍長度。

1.3 消力池設(shè)計流量的選擇

上述計算過程是針對一個流量所得出的結(jié)果，而在任何實際工程的泄水建筑物都不可能在一個固定的流量下運行。因此，消力池必須滿足在不同流量的情況下池中都能產(chǎn)生淹沒水躍的要求，這就必須選擇一個合適的流量設(shè)計消力池的尺寸。

對于池長計算方面，前面已經(jīng)闡述了其長度取決于水躍長度。由水躍特性得知，水躍長度與流量成正比。因此，應(yīng)以通過建筑物最大流量作為消力池長度的設(shè)計流量。

2 工程實例

2.1 工程概述

普蘭店市大譚鎮(zhèn)供水工程通過治理夾河興唐線至云峰渡槽區(qū)段堤防，在河道上新建擋水堰及水閘形成兩處蓄水塘壩，通過與河道連通的滲渠輸水至堤外方塘內(nèi)，經(jīng)與方塘連接的凈水廠進(jìn)行凈化處理，由泵站加壓通過管道輸水至大譚鎮(zhèn)。

工程中涉及到水閘工程等別為Ⅲ等，主要建筑物級別為4級，設(shè)計防洪標(biāo)準(zhǔn)為10年一遇，設(shè)計過閘流量為322.39 m3/s。單孔凈寬為4.0 m，共10孔，總寬度為49.8 m。水閘由鋪蓋、閘室、消力池、海漫及防沖槽組成。其中消力池采用挖深式消力池。

2.2 水閘消力池計算分析

由于池深d達(dá)到最大時的流量并不一定是通過建筑物的最大流量，所以選擇322.39，300.00，250.00，200.00 m3/s等4種下泄流量分別進(jìn)行計算。

首先由水閘的布置形式及4種工況下的下泄流量進(jìn)行水躍計算，算得4種工況下對應(yīng)的收縮斷面水深及躍后水深，成果見表1。

表1 水躍計算成果表

4種工況下對應(yīng)的下游水深，采用逐段試算法：

計算出4種工況下對應(yīng)的下游水深及躍后水深與下游水深之差，見表2。

表2 下游水深計算表

計算消力池池深與池長的試算過程如下：

1）令△Z=0，確定池深的初始值為d0=σ-hs；

4）利用公式d1=σ-（hs+△Z）計算出d1并與d0進(jìn)行比較，若|d1-d0|≤5 cm則計算結(jié)束，否則重新設(shè)置d2回到第2步，直至|di+1-di|≤5 cm；

5）按照最大流量計算池長，池長的計算公式為Lk=（0.7~0.8）Lj。

按照上述步驟計算消力池池深為0.522 m，消力池池長為15.29 m。

3 結(jié) 語

水閘泄水時，部分勢能轉(zhuǎn)化為動能，流速增大，而土質(zhì)河床抗沖能力低，所以，閘下沖刷是個普遍的現(xiàn)象。不危害建筑物安全的沖刷，一般來說是允許的，但對于有害的沖刷，則在設(shè)計運行中需給予充分的重視。

水閘的消能防沖設(shè)計須根據(jù)具體情況，將地質(zhì)地形條件、合理的過閘流量設(shè)計工況、技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較等不同的要素考慮進(jìn)去這樣才能使建成后的水閘運行安全可靠，發(fā)揮最大的經(jīng)濟(jì)效益。

［1］SL265-2001，水閘設(shè)計規(guī)范［S］.北京：中國水利水電出版社，2001.

［2］高學(xué)平，張效先.水力學(xué)［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008.

［3］林建洪.北溪水閘樞紐下游消能防沖設(shè)施除險加固研究［J］.東北水利水電，2011，29（1）：63—66.

［4］唐群新.水閘消能計算的分析研究［J］.中國水運，2008，8（3）：149—150.

［5］胡順志，鞠曄，鄭軍.靖宇縣福生水電站泄水建筑物設(shè)計［J］.東北水利水電，2012，30（8）：10-11.