水闸消能设计分析与研究

摘要：水工建筑物在设计阶段中，消能设计是至关重要的，决定了建筑物本身的安全以及对其他工程部位的影响。本文介绍水闸消能设计更加科学的计算方法。文中分析了水闸消能防冲设计的水流原因， 对水闸消能设计做了粗浅的探讨。

关键词：水工建筑；水闸；消能防冲；设计

Abstract: Hydraulic structures in the design phase, design of energy dissipation is very important, determine the safety of the building itself and the influence on other engineering site. This paper introduces the sluice can be calculated more scientific methods of design. This paper analyzes the energy dissipation due to current scour design, on the sluice can be made a superficial discussion on design.

Keywords: water construction; sluice; energy dissipation; design

中图分类号：TU2

引言：

水闸是低水头的泄水建筑物, 一般采用底流式消能工。在消力池内产生水跃, 使闸下急流转变为缓流, 通过水跃消耗的能量Ej 与跃前断面的能量E1 之比, 称为水跃消能率。跃前断面的弗汝德数愈大, 则消能率愈高。当Fr1 在10～40 间, 则Ej / E1 为28 %～59 % , 低水头的水闸, 由于Fr1较小, 故水闸的消能率一般较低。

1、水闸消能防冲设计的原因

水闸过水时水流往往具有较大的动能，经过消能后还会有一定的余能，将对下游河床产生不同程度的冲刷。有的冲刷是有害的，必须采取措施加以防止；有的并不引起危害作用，是允许的。闸后水流形态对下游河床冲刷的影响很大。平原地区河渠横断面往往宽而浅，河宽常大于闸宽，过闸水流不易均匀扩散，在主流部分保持较大的流速，而且主流方向还经常左右摆动，这就是折冲水流，能直接冲刷河岸和河床。造成折冲水流的原因很多，如下游翼墙扩散角太大，水流不能很快地扩散，以致在两侧翼墙附近产生回流。此时主流受到回流的挤压更加集中，进而便形成折冲水流；如工程布置不当，闸前来水不平顺，以及消能设施不当，或者运用管理不善，闸门开启不对称以及单孔开闸等，都是产生折冲水流的原因。另外，当水流的弗汝德数很小，即Fr=1.0~1.7时，还会出现波状水跃，此时水面呈波动状前进，无强烈的水跃漩滚，消能效果甚微。由于水流前进速度较大，易和下游翼墙分离，致使两侧产生回流，因而缩小渠道的有效宽度，增加局部地方的单宽流量，其冲刷作用也相当严重。因此，要采取相应措施，如在闸室下游端部设置小槛，使水流越过小槛，跌入消力池内，促使其形成底流水跃。

2、各类下游水位工况的消能防冲设计

2.1 下游水深hs

消力池出口处水深应按宽顶堰自由出流公式计算。根据一定的闸下排出流量, 即可按此式计算出H0 , 并扣去行进流速水头(在未求得正确的池末端水深前, 此值可用δhc″代替) , 这样, 即可求出消力池末端水深, 此值与hc″对比, 即为淹没系数δ, 要求δ值在1105～111 之间。如果不合, 可以调整消力池开挖深度, 使之基本吻合。以上的计算仅表示池内水深已经淹没, 急流动能亦有所消减, 但是水流出池后,仍又能对下游海漫造成很大冲刷, 严重影响闸室安全。所以还需计算水面下降曲线, 使水流出池后能与下游水面平稳连接, 进一步消除急流动能。由于海漫一般都设计成1∶10 或1∶20 的陡坡, 并在其前设置> 5 m 的水平调整段, 理论上一般认为在平坡与陡坡交界处的水深为hk 。因而, 可根据已知的Qmax及hk 值, 向下推算海漫水面曲线。这是一条标准的M2 型降水曲线, 愈向下水深愈小, 最后接近正常水深h0 , 流速变缓, 已无冲刷之虞。

2.2 下游水深hk

由于在此类工况下，出流未受到下游水深的影响，因而在池内淹没状况下依旧可以根据宽顶堰自由出流公式进行计算。而在设计与施工海漫末端的防冲槽时，必须严格按照标准进行，以免冲刷对河道的安全造成影响。

2.3 下游水深hs>0.8H0

因为下游水位的抬高造成了消力池出口处的水深不断变深，这就使得在确保相同淹没系数稳定状态下，消力池能够开挖得更浅一些。

3、实例分析

为进一步分析消能防冲设施，以实例进行细致探讨，设定某闸为2×4m，上游水位3.40m，下游水位1.5m，该闸底板高程1.0 m，初步拟定的消能防冲结构（见图1）。

图1 消防防冲结构图

3.1．求过闸流量Q

按宽顶堰自由出流公式计算：参数选取e（侧收缩系数）=0.95，Ho≈H=2.4m，B=8m，m=0.385（当槛高P=0 时）

求得：Q=0.95×0.385×8×4.429×2.41.5= 48.18m3/s

3.2．求第1 共轭水深hc 和第2 共轭水深hc”

E0=hc+q2/2gφ2hc2，假定消力池池深l.2m，则池底高程-0.2m，故E0=3.40+0.2=3.60m

出口处：B=2×4+1=9m

单宽流量：q=48.18/9=5.353m2/s

φ=0.95，g=9.81（常数），把以上数字代入公式，通过试算可求出hc=0.754 m，再把代入求hc”的公式中，得hc”= 2.432 m

3.3．求消力池出口的水深

先求hk

B=9+2×l7×tg8o=13.78 m，

q=48.18/13.78=3.496m2/s，hk=（q2/g）1/3

计算求得：hk=1.076m

由于下游水深：0.5m

H0=（q/（2g）1/em ）2/3 ，e 为侧收缩系数0.95，m=0.385，q=3.496

计算求得：H0=1.67m

扣去行进流速水头：

v02/2g=（3.496/（2.432×1.05））2/19.62=0.096m，

则得实际堰顶水深：

Hl=H0-v02/2g=1.67-0.096=1.574m

淹没系数：δ=（1.574+1.2）/2.432=1.141>1.05 淹没。

根据以上计算，淹没系数略大于1.1，因此水跃已被淹没，十分安全。再检验当消力池出口水位为2.574m 时，是否会影响闸下的出流，只需把这一水位换算成闸门出口处的水深即可。换算水深： Hs=2.574-1.0=1.574m ， 则

Hs/H=1.574/2.4=0.656

3.4．与下游水位的连接问题

通过5m 的调整段，与坡度为1：10 的海漫陡坡连接，陡坡起端的临界水深hk 为：

hk=（q2/g）1/3=（3.4962/9.81）1/3=1.076m

此处的流速V=48.18/（1.076×13.78） =3.249 m/s。由于海漫为1：10 的陡坡，则愈向下流速愈大，最后水深到达与陡坡相适应的正常水位H0，然后再向下推出Bl 型降水曲线。当推出的水位到达下游水位时，可不再推求。根据以上计算原则，可以求出在海漫始端V=3.249 m/s；在距始端1.0 m 处，v=3.914m/s，在距始端7.45 m 处，Vmax 均=5.469 m/s（与下游水位齐平），以后水深逐渐加大，流速亦逐步减小。通过计算可知，海漫上可发生最大流速Vmax均=5.469 m/s，已明显大于干砌块石的允许流速，故必须把海漫全段和调整段改为混凝土预制块砌筑（厚0.2~0.3 m），其允许流速V≥6m/s，属于安全。

4、 结语

水闸的消能防冲设计是水利工程设计的重点，尤其对于在粉砂地基上建闸而言，必须要根据具体情况，将水位流量情况、地质条件、消能效果和经济比较等不同要素考虑在内，统筹规划，使建成后的水闸都能安全运行, 发挥出最大的效益。

参考文献

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[2] 陈俊英. 低水头引水工程消能措施试验研究[D].陕西：西北农林科技大学，2005.

[3] 梁信宝.内蒙古乌拉河闸二级消能设计体会[J]. 河北水利水电技术，