跌水消能在补水闸工程中的应用

韩冬梅，宗志聪，王学超（.吉林省水利水电勘测设计研究院，吉林长春300；.华北水利水电学院，河南郑州450000）



跌水消能在补水闸工程中的应用

韩冬梅1，宗志聪1，王学超2
（1.吉林省水利水电勘测设计研究院，吉林长春130012；2.华北水利水电学院，河南郑州450000）

［摘 要］文中通过一总干补水闸的工程设计实例，对比分析底流消能和跌水消能方式的优缺点，说明跌水消能方式在高落差水闸下游防冲设计中的经济性和可靠性。

［关键词］补水闸；消能设计；跌水

1　引　言

过闸水流具有较大的动能，若不采取适当的消能防冲措施，势必冲刷下游河（渠）道，进而威胁水闸的安全。水闸常用的消能方式主要有底流消能、跌水消能、面流消能和消力戽消能等，根据不同的水力条件、地形和地质条件应采取合适的消能方式。对于上下游落差较大的水闸来说消能方式的选择显得尤为重要。通过一总干补水闸的设计实例，经计算分析对比，说明在上下游落差较大的水闸设计中，跌水消能方式可有效节省投资，降低出口流速在工程设计中更具有实用意义。

2　工程概况

一总干补水闸是向查干湖补水的节点性工程，查干湖是河湖连通四大生态群落中查干湖群落的核心泡子。当查干湖需补水时，由哈达山输水总干渠渠首闸自松花江取水，经哈达山输水总干渠输水，在总干渠桩号27+097.75处由一总干分水闸进入一总干输水渠道，在一总干末端的一总干补水闸进入引松团结干渠。然后通过引松团结干渠进入新庙泡，当新庙泡补水达到一定水位时，通过新庙泡与查干湖的连接渠道实现向查干湖补水。

一总干补水闸位于前郭灌区一总干输水渠道末端，水闸下游与引松团结渠连接。作用是利用哈达山输水总干渠向查干湖补水。补水闸为孔口式1.5 m×3孔闸门，设计流量10.0 m3/s。一总干补水闸上游水位为133.40 m，下游水位为130.20 m。

3　消能方案设计

3.1消能方式的选取

底流消能：底流消能为水闸最常见的消能方式，可用于各类地基上的中低水头的各类泄水建筑物，在水闸工程中应用非常普遍。面流消能：面流消能主流在表面，具有底部旋滚，河床加固费用较少，便于排除浮冰及其他漂浮物。消力戽：消能戽是利用淹没挑水坎将水流挑向水面，形成旋滚和涌浪，产生强烈的紊动摩擦和扩散作用，已达到消能防冲目的。但要求下游基础较为坚实和尾水较深，因此在采用时更应注意结合地质情况。跌水消能：一般应用于上下游跌差较大的渠道连接中。在中小型工程设计中，对于上下游跌差较大的水闸来说可采用底流消能方式和跌水消能方式较为合理，根据水力条件和地质条件等因素综合考虑应选择哪种消能方式。

一总干补水闸闸室底板顶高程131.90 m，下游团结干渠底高程129.30 m，落差为2.60 m，消能方式选择底流消能和跌水消能进行对比分析。

3.2底流消能和跌水消能计算方法

1）底流消能计算：

式中：d——消力池深度，m；σ0——水跃跃淹没系数，可采1.05～1.10；hc″——跃后水深，m；hc——收缩缩水深，m；a——水流动流动能校正系数采用1.0～1.05；q——过闸单宽流量，m3/s；b1——消力池首端宽力池首端；b2——消力池末端宽力池末端；T0——由消力池底板顶消力池的总总势能，m；▽Z——出力落差，m；hs′——出池河床水深，m。

式中：Lsj——消力池长度，m；Ls——消力池斜坡段水平投影长度，m；β——水跃长度校正系数，采用0.8；Lj——水跃长度，m。

2）跌水消能计算：

消能防冲计算计算公式：

式中：D——q2/gP3，m；P——跌差，m；q——收缩断面处的单宽流量，m3/s/m。

3.3消能计算成果及分析

补水闸底流消能计算成果及跌水消能计算成果，见表2和表3。

根据上述计算值，底流消能方式工程设计取值为：消力池池深0.8 m，水平段长8.5 m，斜坡段长13.6 m，总长度22.1 m，出口流速为2.36 m/s。跌水消能方式工程设计值：一级消力池长7.0m，二级消力池长8.0 m，总长度15.0 m，出口流速为1.26 m/s。底流消能消力池长，工程量大，在消力池出口流速为2.36 m/s，对下游渠道冲刷严重，严重影响水闸的工作安全性。而跌水式消力池池深及池长都较底流消能小，工程量小，出口流速低，满足渠道冲刷要求。结合上述计算和地形地貌等综合因素，设计采用二级跌水消能方式更为合理。

表2　补水闸底流消能计算成果表

表3　补水闸跃水消能计算成果表

3.4二级跌水消力池结构设计

二级跌水消力池为钢筋混凝土U型槽结构，底宽均为6.10 m。其中第一级跌水跌差1.80 m，总池长8.0 m，跌坎高0.7 m。底板顶高程130.10 m，底板厚0.6 m，底板及边墙设直径50 mm排水孔，孔距2.0 m。底板下设0.1 m厚素混凝土垫层及1.0 m中粗砂换基。消力池边墙由高程134.10 m渐变至高程133.00 m，顶宽由0.3 m渐变至0.6 m。第二级跌水跌差2.0 m，总池长9.00 m，跌坎高0.8m。底板顶高程128.80 m，底板厚0.6 m，底板及边墙设直径50 mm排水孔，孔距2.0 m。底板下设0.1 m厚素混凝土垫层及1.0 m中粗砂换基。消力池边墙顶高程133.00 m，顶宽由0.3 m渐变至0.6 m。

4　结论

一总干补水闸工程为吉林省西部地区河湖连通工程的前期应急工程，目前已经施工完成且运行良好，为河湖连通工程200余个水闸的设计提供了借鉴和经验。通过工程的设计，还有以下几点体会：

1）跌水消能型式对于跌差较大的连接型式里起了不可或缺的作用，既节省了工程量，又能得到很好的消能效果，在水闸消能防冲设计中，尤其是在有景观要求的地方，应用更合理。

2）在跌水消能设计的中，根据地形条件和限制合理设计跌水高度及级数。

3）在消能设计中要充分考虑下游出口流速大小，选择合适的消能方式及结构尺寸，尽量减小出口流速，以防对下游产生严重冲刷现象。

［参考文献］

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［中图分类号］TV135

［文献标识码］B

［文章编号］1002－0624（2016）02－0005－02

［收稿日期］#2014-07-21