水闸挖深式消力池消能设计研究

程汉昆，栾俊亮

（大连市水利规划设计院，辽宁 大连116021）

泄水建筑物下游水流衔接与消能常见的类型有：底流消能、挑流消能及面、戽流消能。平原地区的水闸，由于水头低，下游水位变幅大，一般都采用底流式消能。底流消能主要的型式又分为：尾坎式、挖深式及综合式。底流消能是利用水跃的原理，靠水跃产生的表面旋滚与底部主流间的强烈紊动、剪切和掺混作用消除余能。

消力池的消能设计主要是确定消力池的池深及池长。随着过闸流量的不同，产生的水跃及上下游的衔接形式也不尽相同，因此，在进行消力池设计的时候，将过闸流量分成几种工况来分别计算是有必要的。

1 计算方法

挖深式消力池示意图见图1。计算公式参考《水闸设计规范》附录B及《水力计算手册》。

图1 挖深式消力池

1.1 消力池池深d的计算

如图1，建消力池前，收缩断面的位置在c1-c1处，发生远驱式水跃，需要将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。护坦高程降低一个d值后，收缩断面的位置将由断面c1-c1下移至c-c处，收缩水深相应由hc1变成hc，E0=E′0+d。

由图1可以看出，消力池的水深应稍微大于hc的共轭水深，即满足下式：

式中：σ水跃淹没系数，一般取1.05；h″c护坦高程降低后收缩水深hc的跃后水深。

又由图1中几何关系，消力池内的水深h″等于下游水深hs、池深d和△Z之和。即：

△Z是当水流由消力池进入下游河道时，由于竖向收缩，过水断面减小，动能增加，水面产生的跌落，其值可由能量方程求得。

对消力池出口上游断面1-1及下游断面2-2列出能量方程式，以通过下游断面2-2底部的水平面作基准面，得：

整理成：

令α1=1；并以带入式（4），则得：

式中：φ′消力池流速系数，它决定于消力池出口处的顶部形式，一般取0.95。

将（2）式带入到（1）式中，则消力池深度d的计算公式为：

若将式（6）中的△Z忽略，以河床高程计算收缩水深，可得到粗略的估算池深的公式：

及（5）、（6）4个方程联合求解消力池深度d。但d和h″c之间是一个复杂的隐函数关系，故求解d时常用到试算法或图解法。

1.2 消力池池长Lk计算

消力池的作用是将水跃稳定在池内，按道理其长度应与水跃长度相当，但消力池内的水跃受到消力池末端的垂直壁面产生的一个反向作用力，减小了水跃的长度，池内实际上产生的是强迫水跃。所以，消力池内的水跃长度仅为平底自由水跃长度的70%~80%。

由此可得，消力池长度为Lk=（0.7~0.8）Lj，其中Lj为平底渠道中的自由水跃长度。

1.3 消力池设计流量的选择

上述计算过程是针对一个流量所得出的结果，而在任何实际工程的泄水建筑物都不可能在一个固定的流量下运行。因此，消力池必须满足在不同流量的情况下池中都能产生淹没水跃的要求，这就必须选择一个合适的流量设计消力池的尺寸。

对于池长计算方面，前面已经阐述了其长度取决于水跃长度。由水跃特性得知，水跃长度与流量成正比。因此，应以通过建筑物最大流量作为消力池长度的设计流量。

2 工程实例

2.1 工程概述

普兰店市大谭镇供水工程通过治理夹河兴唐线至云峰渡槽区段堤防，在河道上新建挡水堰及水闸形成两处蓄水塘坝，通过与河道连通的渗渠输水至堤外方塘内，经与方塘连接的净水厂进行净化处理，由泵站加压通过管道输水至大谭镇。

工程中涉及到水闸工程等别为Ⅲ等，主要建筑物级别为4级，设计防洪标准为10年一遇，设计过闸流量为322.39 m3/s。单孔净宽为4.0 m，共10孔，总宽度为49.8 m。水闸由铺盖、闸室、消力池、海漫及防冲槽组成。其中消力池采用挖深式消力池。

2.2 水闸消力池计算分析

由于池深d达到最大时的流量并不一定是通过建筑物的最大流量，所以选择322.39，300.00，250.00，200.00 m3/s等4种下泄流量分别进行计算。

首先由水闸的布置形式及4种工况下的下泄流量进行水跃计算，算得4种工况下对应的收缩断面水深及跃后水深，成果见表1。

表1 水跃计算成果表

4种工况下对应的下游水深，采用逐段试算法：

计算出4种工况下对应的下游水深及跃后水深与下游水深之差，见表2。

表2 下游水深计算表

计算消力池池深与池长的试算过程如下：

1）令△Z=0，确定池深的初始值为d0=σ-hs；

4）利用公式d1=σ-（hs+△Z）计算出d1并与d0进行比较，若|d1-d0|≤5 cm则计算结束，否则重新设置d2回到第2步，直至|di+1-di|≤5 cm；

5）按照最大流量计算池长，池长的计算公式为Lk=（0.7~0.8）Lj。

按照上述步骤计算消力池池深为0.522 m，消力池池长为15.29 m。

3 结 语

水闸泄水时，部分势能转化为动能，流速增大，而土质河床抗冲能力低，所以，闸下冲刷是个普遍的现象。不危害建筑物安全的冲刷，一般来说是允许的，但对于有害的冲刷，则在设计运行中需给予充分的重视。

水闸的消能防冲设计须根据具体情况，将地质地形条件、合理的过闸流量设计工况、技术经济比较等不同的要素考虑进去这样才能使建成后的水闸运行安全可靠，发挥最大的经济效益。

［1］SL265-2001，水闸设计规范［S］.北京：中国水利水电出版社，2001.

［2］高学平，张效先.水力学［M］.北京：中国建筑工业出版社，2008.

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