牛寨节制闸综合式消力池计算分析

张 鑫

（河北省水利水电第二勘测设计研究院，石家庄050021）

水工设计

牛寨节制闸综合式消力池计算分析

张 鑫

（河北省水利水电第二勘测设计研究院，石家庄050021）

结合工程实例，通过对牛寨节制闸综合式消力池及无辅助消能设施的综合式对比计算分析，证明了辅助消能设施对于减小消力池深度和长度的有效性，总结了消能计算成果的一般规律及综合式消力池消力坎的高度和消力池深度在整个消能过程中的相互转换关系。

综合式消力池；辅助消能设施

1 工程概况

牛寨节制闸位于河北省邢台市威县老沙河末端，主要作用是拦蓄沥水、排涝泄洪。该闸原为四连杆钢筋混凝土结构浮体闸，建成于1977月6月，设计流量446m3/s，校核流量643m3/s，1981年8月启闸蓄水时损坏，此后一直未能修复。1990年启动了该闸的改建工程，将浮体闸门拆除，改建为升卧式钢闸门，并维持原设计标准。改建后共布置升卧式钢板闸门3扇，闸孔净宽9.2m，闸门高4.3m，闸室为分段式底板结构，闸前设计蓄水深4m，下游消力池改建为带有趾墩、消能墩等辅助消能设施的综合式消力池，其中趾墩0.4m×0.5m （宽×高），间距0.4m，消能墩0.9m×1.2m（宽×高），间距 1.2m，消力池深 1.3m，消力坎高1.2m，消力池长12.165m。

2 计算方法

综合式消力池计算采用 《水力计算手册》（第二版）［2］及 SL265—2001《水闸设计规范》［3］相关公式，计算如图1所示。

图1 综合式消力池计算简图

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为过闸单宽流量（m2/s）；m为流量系数；H10为坎前总水头（m）；T0为由消力池底板面起算底总势能（m）；Frs为消力坎后弗汝德数；φ1为坎后水流收缩断面流速系数，一般取0.95；σ为水跃淹没系数，取1.05；α为水流动能校正系数；h″f为受消能墩影响的跃后水深（m）；其他如图1所示。

2.2 趾墩及消能墩高

2.2.1 趾墩

由于趾墩的存在，使收缩水深加大为hc1，可由式（9）算出：

式中 hcr=hc1/hc；hc为收缩水深（m）。

2.2.2 消能墩

加设消能墩可以增加消能效率，降低跃后水深，根据《水力计算手册》（第二版）的相关计算方法，迎水面垂直的消能墩，其墩高可根据收缩断面的弗汝德数由图2查出；设置消能墩后的跃后水深h″f可由图3查出，h″f为未设辅助消能工的跃后水深。

3 算例

当该闸闸前水位高于正常蓄水深度4m时，水闸将开启部分或全部闸门泄流。依据闸门的运行管理规则，分别复核计算中间1孔开启0.5m，两边孔关闭；3孔均开启0.5m；中间1孔开启1.0m，两边孔对称开启0.5m；3孔均开启1.0m；中间1孔开启1.5m，两边孔对称开启1.0m；3孔均开启1.5m……以此类推情况下的消能计算。

3.1 泄量～下游水深关系

假定上游水位不变，根据平底闸闸孔泄流量公式计算闸门开启不同孔数及每扇闸门不同开度时的过流能力。通过试算可得到不同闸门开度的泄量～下游水深关系。

本算例的泄量～下游水位关系如表1所示，其中每一级的下游水深对应上一级的闸门开度。

表1 泄量～下游水深关系 单位：m

3.2 综合消能计算

根据表1泄量～下游水深关系进行消能计算。以3孔全开，闸门开度为0.5m为例计算如下。

综合式消力池的计算有试算法和迭代法［4］，本次计算采用试算法，假定消力池深S=0.34m，通过EXCEL表格试算得出。

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，动能修正系数 α 取为 1.0，试算得出hc=0.383m，根据关于趾墩的相关假定，趾墩的高、宽及间距均等于未修建趾墩时的收缩水深。

修建趾墩后可使收缩断面水深hc增加为hc1，由式（9）进行试算，得出修建趾墩后的收缩水深hc1=0.452m。

修建消能墩可增加消能效率，降低跃后水深，由图2得出消能墩高h3=0.54m；查图3得″=0.88。

故考虑消能墩后的跃后水深hf″=1.75m。

由式（1）～式（8）可求得 c=0.25m。 为安全起见，将坎高较计算值稍低一些，使坎后形成稍有淹没式水跃，故坎高取0.2m；消力池深度为0.34m，与假设消力池深度值一致。

3.3 计算成果

综合式消力池计算成果如表2所示，无趾墩、消能墩的普通式消力池计算成果如表3所示。

表2 综合消力池消能计算成果（有趾墩、消能墩） 单位：m

表3 一般式消力池计算成果 单位：m

4 计算成果分析

建有趾墩、消能墩的综合式消力池计算成果如图4所示，无趾墩、消能墩的消力池计算成果如图5所示。

图4 综合式消力池（建有趾墩、消能墩）计算成果

图5 消力池（无趾墩、消能墩）计算成果

两种情况下的消能计算成果均表明消力池最大深度发生在泄流初期，当3孔开度均为1m时，消力池深达到最大，而后随着闸门逐渐开启，泄流量不断增大，下游水深抬高的速率加快，消力池计算深度逐渐减小；与此相反，消力坎最大高度发生在泄流后期，消力坎高随着下游水深的升高而稍增加，故表明消能的主要设施由消力池向消力坎转换。当消力池深达到负值前即不需要消力池前，消力坎高度达到最大，随后消力坎高度也逐渐减小。消力池深度和消力坎高度之和（即综合消能设施）在泄流中后期达到最大值，而后随着下游水深的加大而逐渐减小。趾墩、消能墩的高度与单宽流量成正比，其可改善水闸泄流进入消力池内的始流条件。将水流挑起，然后再跃人池内，从而在池中产生水跃消能［5］。

一般式消力池与修建了趾墩、消能墩的综合式消力池长度计算成果对比如图6所示。

图6 消力池长度计算成果对比

从图6可以看出，在闸门同样开度计算条件下，修建了消能辅助设施的综合式消力池长度均小于未修建的计算长度，3孔闸门开度均为1.5m时，消力池长度缩短近40%。辅助消能的趾墩、消能墩等辅助消能设施可有效地缩短消力池长度。

5 结语

（1）复合式消力池的最大消力池深度发生在泄流初期，而消力坎最大高度发生在泄流后期，二者之和在泄流中后期达到最大后逐渐减小。

（2）修建了趾墩、消能墩等辅助消能设施的综合式消力池可以有效缩短消力池长度。

［1］张志昌，李若冰，赵莹，等.综合式消力池深度和坎高的计算［J］.西安理工大学学报，2013（1）.

［2］李炜.水力计算手册（第二版）［K］.北京：中国水利水电出版社，2006.

［3］SL265—2001，水闸设计规范［S］.

［4］辛效明.设计综合式消力池的简便计算［J］.山西水利科技，2007（2）.

［5］冯建江，陈海雄.水闸消能效果分析研究［J］.中国水利，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

张 鑫（1981-），男（汉族），河北石家庄人，工程师，主要从事水工结构设计工作，（Tel）13398610150。