渠系水闸下游消能-W型消力槛

□朱颖放 □杨长庚 □卢 瑕（河南省水利勘测设计研究有限公司）

1 渠系水闸下游消能情况

渠系水闸闸室与消力池连接处出现边界突变的尖角点，由于水流质点具有维持原来运动方向前进趋势的惯性作用，不能沿着突变的边界作急剧的转折运动，因而从闸室末端的边界突变点开始，水流脱离边界运动在梯形断面消力池的边坡上形成旋涡，从而压缩主流，形成了类似收缩段的水流流态，使高速水流较难扩散、消能，将给下游渠道带来较严重的冲刷。在普通消力池底板上修建一道W 型消力槛，是一种结构简单、效果显著的消能工，能够较好的解决水流平面扩散问题。

2 W型消力槛

对于闸室出口为直角形翼墙与梯形断面消力池相连接的布置型式，若仍采用修常规底流消力池的方式消能，虽然能够在铅直平面内强迫水流发生水跃，消除一定的过闸水流动能，但是并没有解决水流的平面扩散问题，仍然在闸下出现折冲水流，使出消力池的水流仍然具有较大的余能，在下游相当长的渠段内底部流速仍大于渠道不冲流速，需要对下游渠道进行护砌。

旋涡的产生是水流边界层脱离固体边界所造成的。对于这种布置型式，若在闸室下游修建合适的消能工—W 型消力槛，使消力池两侧边坡部位的旋涡减弱、减小，从而达到消除折冲水流、改善下游水流流态的目的。

2.1 W型消力槛消能原理

闸室出口的水流与明渠均匀流不同，其最大流速分布不是在上层，而是靠近底部。W型消力槛对闸下水流流态的改变可以从铅直面和水平面上分别加以分析。

2.1.1 铅直面

底部高速水流遇到W槛后，向上转折，加速水流的紊乱，水流流速梯度变小（即流速分布趋于均匀），平均流速减小，消除了过闸水流的部分动能。

2.1.2 水平面

出闸室水流的主流在渠道中间，W 槛的中间槛起到分流墩的作用，使主流向两侧分离。W槛槛面与水流方向成450°角，当水流撞击W 槛后将发生900°转折，相互碰撞，由于中间流速高于两侧流速，主流在垂直水流方向上往两侧扩散，主流区变宽，流速迅速降低，边界层厚度增加，使得边界层外层（即旋涡区）范围减小（见图1）。使闸下水流流速降低到允许流速以内，避免了渠道冲刷。

图1

2.2 W型消力槛在工程中的应用

在工程建设中，对W 型消力槛的位置、高度和宽度做了一些实践和研究。

W 槛的位置若太靠近闸室，达不到扩散水流的目的，仍将在下游出现折冲水流，若离闸室过远，势必增加工程数量，合适的W槛位置距闸室1～1.50倍的下游渠道水深；消力槛的高度以1/3的下游渠道水深为宜，槛过低不能折挡底部高速主流，槛过高则降低水闸的过流能力；消力槛的宽度与闸室同宽为宜。

以前曾在一些灌区工程中应用了这种消能型式，整个消能护砌段长度约为4～5倍的下游渠道水深，比一般消力池缩短了一半以上。从工程运行的情况来看，下游一般没有发生冲刷，即使发生冲刷，冲刷坑也很浅，而且对称。所以W型消力槛在解决渠系水闸的下游消能问题中是比较成功的。

3 结语

低水头、小流量水闸与下游梯形断面消力池采用直角形翼墙连接结合W 型消力槛消能，与常规底流消力池相比，不但施工简便，可以大大节约工程量，而且消能效果显著。因此这种消能布置型式在灌溉渠系上还是值得大力推广的。