水资源工程中消能模型的水力计算

水资源工程中消能模型的水力计算

作者：毛锋

来源：《科技资讯》 2011年第18期

毛锋

（双城市水务局黑龙江双城 150100）

摘要：在水资源工程中，闸室的泄流能力直接影响水流的佛氏数Fr，Fr数越小，泄流能

力越大，因此在工程中应正确的计算每个消能建筑物的泄流能力。本文以水资源工程中低水头

消能工具模型为基础，建立起关于水资源工程消能建筑布置的水力计算，为消能建筑物的布置

提供了参考依据。

关键词：水资源工程水利模型消能建筑消能率

中图分类号：V2 文献标识码：A 文章编号：1672-

3791(2011)06(c)-0054-01

1 建筑物模型的出流方式

1.1 开敞式出流

开敞式泄流建筑主要有实用堰和宽顶堰两种形式，低水头消能的模型采用了宽顶堰式出流，关于闸坝堰流流量计算公式，现行国家行业标准SL265-2001《水闸设计规范》中规定如下:

式中:Q为堰流流量(ms/s);σ为堰流淹没系数;ε为堰流侧收缩系数;m为堰流流量系数;B

为闸孔总净宽(m);g为重力加速度(m/s);H为计入行近流速的上游能头(m)。

1.2 涵闸式出流

涵闸出流的水流条件受涵洞和上、下边界影响。涵洞出水口通常为宽顶堰或平底闸。模型

的出水口设为宽顶堰形式和平板闸门的组合，这种组合应用普遍，对泄流能力进行研究具有较

强的使用价值，实例采用非淹没压力流计算，其计算公式如下:

2 常见低水头消能建筑设计计算

消能设施能将下泄水流转变为正常平缓的水流，以保证建筑物的安全。为了解决底流式消

能的防冲问题，国内一般采用USBR-Ⅳ型、ISI型、SAF型和T型等消能堰型式来进行消能，设

计这几种堰型的具体尺寸都需计算出跃前收缩水深和跃后水深。因此必须先计算出泄水建筑物

下泄水流的水跃(如图1)。

对于矩形断面，收缩断面水深可以采用下式进行计算:

2.1 USBR-Ⅳ型消力池

当水流的Fr较低时，由于水舌间歇地上下摆动会形成波浪，因此将对消力池提出减浪要求，USBR-Ⅳ型消力池就是针对这个特点设计的。包括以下内容。

(1)导向墩。

加于陡坡末端的导向装置(顶面略向下游倾斜的三角形齿坎)，利用这种装置可以将一部分

水舌自坎顶导出，射向漩滚底部以加强漩滚效果，减小水面波动，促成水跃稳定，导向墩的尺

寸确定如下:

2.2 ISI型消力池

ISI型消力池是一种同样适用于低佛氏数消能的有效方式，池长可缩短30%，能够有效的提高效能率和消减跃后波浪。ISI型消力池的布置如下。

(1)导向墩。

2.3 SAF型消力池

SAF型消力池可用于Fr=1.3～4.1的小型工程，其特点是池长可缩短70%以上，并且可有效的提高效能率，在美国中小型水利工程中被广泛应用。其布置形式如下。

(l)导向墩:加于陡坡末端，其尺寸为:

墩高:a1=h1 墩宽:W1=0.75h1 间距:S1=0.75h1

(2)消力墩。

墩高:a2=h1 墩宽:W2=0.75h1 间距:S2=0.75h1

若消力池末端的宽度B2不等于消力池前端宽度B1，则其消力墩的墩宽及间距要乘以折算

系数B2/B1，同时消力墩应与导向墩交错布置，其总宽度不应小于所在断面范围池宽的40%，也不能大于55%，消力池与边墙之间的距离不应小于3h1/8，消力墩应设在距分流墩1/3池长位置，以充分发挥其消能作用。

(3)消力池池长。

池长:

(4)尾坎。

采用矩形断面，坎高a3=0.07h2，试验表明，这样的坎高对于改善消力池下游的冲刷，具

有较好效果。

2.4 T型消力池

T型墩消力池具有缩短池长、降低池后水深、提高消能效率、消能效果稳定、经济效益明

显以及适应尾水较大变幅等优点。T型墩消力池是平底消力池内加设平面呈“T”字型且支墩与

尾坎相连接的消能工具，以此形成强制水跃消能的消力池。

(1)T型墩尺寸。

试验表明，T型墩的合理比例为:前墩厚∶前墩高∶前墩宽∶尾坎高∶支腿长

=2∶3∶4∶5∶6，在工程中根据选定合理的比例系数就可以确定T型墩各尺寸。

(2)消力池池长及池深。

消力池前墩距离墩趾的距离为0.8h2，至尾坎的距离为(0.4～0.5)h2，池深d=1.05(h2-h1)，式中h1为下游水深。消力池长度约为1.3h2，较平底消力池长度缩短2/3。

3 消能率统计计算

根据模型来计算消能率，上游以进水口断面为计算断面，下游以水跃跃后断面为计算断面，水平方向的下游渠底为基准面，计算公式如下。

上游断面水深h1为上游水位到闸底板高程。