浅析水闸设计中影响消力池设计尺寸的关键因素

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［ ］ 吴持恭 ． ３ 水力学［ ． Ｍ］ 北京 ： 高等教育出版社 ，０ ４ ２０．
［ ３ 王 世 夏 ． 工 设 计 的 理 论 和 方 法 ［ ． 京 ： 国 水 利 水 电 出版 社 ，０ ０ ４ 水 Ｍ］ 北 中 ２０．
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２ １ 年 ０ ２
．
６月 第 ２期
．
校 ＯＬＬ 学 Ｊ 河 北 工ＨＥ Ｅ ＧＩ 高 ＮＧ ＡＮＤ科ＥＣ ＯＵＲＮＡ ＯＦ 程 Ｉ Ｌ Ｂ 技 术 Ｅ 等 专 ＥＮ ＮＥ ＲＩ Ｔ 学 ＣＡＬＣ 报 ＧＥ ＨＮＩ Ｅ
Ｊ ｎ ２ ｌ ｕ．０２
ＮＯ ２ ．
文 章 编 号 ： Ｏ ８ ３ ８ （ ０ ２ ０ 一 Ｏ ２ 一Ｏ １Ｏ — ７ ２ ２ １ ）２ Ｏ ４ ３
收 稿 日期 ： ０ ２ ０ — ９ ２ １ — ５ ０
图 １ 消力池深度计算示意图
作者简介 ： 程
琳 （９ ２）女 ， １８ 一 ， 河北 沧 州 人 ， 北 省 南 运 河 河务 管理 处 助 理 工 程 师 ， 要从 事 工 程 管 理 工 作 。 河 主
第 ２期
程
琳 等 ： 析 水 闸设 计 中影 响消 力 池 设 计 尺 寸 的 关 键 因 素 浅
的关 系 ， 才能避 开设 计 中 的一些误 区和盲点 ， 设计 结果 更 加符 合实际 。 使
参
考
文
献
［ ］ 陈宝 华 ， 世 儒 ． 闸 ［ －北 京 ： 国水 利 水 电 出版 社 ，０ ３ １ 张 水 ＭＩ ． 中 ２０． ［ ］ 张怀 斌 ． 谈 水 闸 下 游 底 流 式 消 能 防 冲 设 计 的 两 个 问 题 口 ］吉 林 水 利 ，０ ９ ７ ： ９２ ２ 浅 ． ２ ０ （） １— １
关键 因素 。本文将从两个方面详细探讨下游尾水深 ｈ。 和 跃后水深 的相对关系对消力池尺寸计算 的影 响。
１ ，一 对池 深计 算 的影 响 ， ｃ
水流 通 过水 闸下 泄 ， 在下 游 形成 水跃 ， 未设 消 力 池时 ， 出现 三种形 式 的水 跃 ： 会 即为 临界 水跃 ； 驱 式水 远
因此 ， 以说 下 游尾水 位 ｈ。 可 与跃 后水 深 ＾『 间 的相对 大小 ／ ＂直接 影响 消力池 长度 的设 计 。计 算 ｒ之 ｃ ｈｏ 消力 池长 度时 ， 首 先分 析 ＾ ，的大小 ， 而确 定水 跃形 式 ， 定合 适 的计 算公 式 ， 应 ／ ， ｃ 进 选 以求 得到 跟符 合 实 际 ，
关键 词 ： 力 池 ； 跃 ； 后 水 深 ； 游 尾水 位 消 水 跃 下
中 图 分 类 号 ： Ｖ６ ３ １ Ｔ ５ ．
文 献 标识 码 ： Ａ
水 闸消力 池 的设计 主要 内容是 确定 消力 池 的池深 和池 长 。 常设计 规 范 中给 出的计算 公式 ， 通 是针 对 一个
给定 的 流量 和下 游水 位 ， 而在 水 闸的运 行 过程 中 ， 闸流量 和下 游水 位 是不 断 变化 的 ， 过 消力 池 需要 在 各 种不 同条 件下 工作 。 了保证 各种 流量 时的 水跃 均发 生在 消力池 内， 为 消力池 的设 计 尺寸应 为 各种流 量下计 算 的最
跃 和淹 没水跃 。 水 工和消 能 的角度看 ， 两种 水跃 需要 的护坦 较长 ， 从 前 且不 稳定 ， 因此 ， 工程设 计 中 ， 要求 下游 产 生一定 淹 没程 度 的水跃 ， 这样 所需 护坦 较短 ， 离建 筑物 较近 ， 消能 效果也 较好 。因此 ， 消力 池 的设 计深 度是 为 了加 大水 闸下 游水 深 ， 水跃 控制在 紧靠 建 筑物 之处 ， 使 并形成 淹没 程度 不大 的水 跃 。
因此 ， 算 时 ， 们 可 以利用 这 一特 点 ， 给定 的流量 范 围 内对 不 同 的流量 计 算 ＾， 并 与 对应 流 量 下 的 计 我 在 ｒ， ｃ 下 游尾 水深 ｈ 进 行 比较 ， 选取 （ 一＾，的最大 值相应 的流量 ， ＾ ） 在此 流 量下计 算消力 池深 为 ｄ的设计 值 。
不 准确 。因为 当流量增 大 时 ， 游水 位也 增 大 ， 时上 下游水 位 差并不 是最 大 。 以 ， 据流 量 变化并 不 能直 下 此 所 根
观 的反应 池深 的变 化规 律 。而将 下游 尾水 位 与跃 后水 深 的相 对 大小 （， 作 为关 键影 响 因素 ， 以更 直 ＾， ｃ 一＾ ） 可 接 得到 消力 池深 的设计 值 。
浅 析 水 闸设 计 中影 响 消 力池 设 计 尺 寸 的关 键 因素
程 琳， 张媛 媛 ， 李 岩
０１０） ６ ０ ０ （ 河北 省 南 运 河 河 务 管 理处 ， 北 沧 州 河
摘 要 ： 闸 消 力 池 的 深 度 和 长 度 取 决 于 水 跃 发 生 的 形 式 和 位 置 ， 水 跃 的 跃 后 水 深 和 下 游 尾 水 位 的 相 对 关 系 决 定 水 跃 的 形 水 而 式 ， 影 响 消力 池 尺 寸计 算 的关 键 因素 。但 在 实 际 计 算 中 ， 们 容 易 忽 略水 跃 形 式 的判 断 ， 利 用 公 式 计 算 导 致 计 算 结 果 不 准 是 人 仅 确 。 把 握 好 这 一 关 键 因素 ， 以避 免一 些 计 算 过 程 中 的误 区 ， 消 力 池 的 设 计 计 算 十 分 重 要 。 可 对
２ ５
深 ｄ为所 需消力 池 的最大 深度 。那 么 实际计 算 中池深 ｄ和 （ ， 的关 系是否 如此 ， ＾， ｃ 一＾ ） 我们 再通 过 下 面 的例
子进 行 分析 。
’
捷 地在南 运河 来水 ３ ０ｍ。ｓ ， ０ ／ 时 捷地 新 建泄洪 闸分 流 １ ０ｍ。ｓ ８ ／ 。闸为 ３ ， 孔 每孔 宽 ４ ４ｍ。下游 河道 的 ．
由此可 得 ： 内水深 ｈ 一 ×＾， 池 Ｔ ， ｃ 水 跃完 全 发生 在池 内 ， 开消力 池 的水 流 ， 离 由
于竖 向断 面 收缩 ， 过水 断 面较 小 ， 能增 加 ， 面 动 水 跌 落一 个 值， 则 由图 １可知 ：Ｔ ｄ ＋ ｈ － ＋＾。
的值较 小 ， 略去不 计得 到粗 略 估算 池深 可
长度 Ｌ ＝ （． ｓ ． ） ，， 中 ， 没度 ｓ （ －ｈ ／ ， 以前 面 的计算 为例 ， 以看到按 两种 方法 计 算所 得 ｊ ４ ９＋６ １＾， 其 ｃ 淹 一 ＾。 ） ， ｃ 。 可
的水跃 长 度 ， 经过 比较 可 以发 现 ， 过 辨别后 ， 水跃不 同形 式采 用 不 同公 式计 算 的水跃 长度 差值 比较 大 ， 经 按 而 且随 着流 量的增 加 ， 值直 线上 升 ， 差 这对 于一 个较 大 的工程 来说 是不 容忽 视 的 。
大值 。 因此 ， 消力 池设 计计 算 中 ， 析影 响消力 池尺 寸 的因素 ， 在 分 掌握池 深 和池 长 的计算 特点 ， 以确保 设计 可 结果 的合 理性 和准 确性 。
在实 际计 算 中 ， 我们 不难 发 现 ， 力池 的池 深 和池 长并 不 随流量 的 不 断增 大而 变 大 ， 消 流量 的 变化 对 消力
４ 结 论
由 以上论 述 可得 ， 游尾 水 位 ｈ。 下 和水 跃 的跃 后 水 深 ｈ 的相 对 关 系对 消力 池 池深 、 长 的计 算 有 直 接 池
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河
北来自百度文库
工
程
技
术
高
等
专
科
学
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学
报
ｇ １ Ｏ２
关系， 是影 响消力 池设 计 尺寸 的关 键 因素 。 因此 ， 入理 解并 掌 握好 ｈｓ ｒ 的相 对关 系与 消力 池 尺寸设 计 深 ＇ ～＾， ｃ
表 １ 水 位 流 量 关 系表
水位 流 量关 系如表 １ 所示 。
２ ｈ ｈ， 池 长 计 算 的影 响 ／ 对 ｃ
在 水 闸运 行过 程 中， 由于 闸 门开启 度 的 变化 ， 即流量 的变 化 ， 下 游 尾 水位 ｈ 与跃 后 水 深 ， 之 间也 在 不 断 发 生 变化 ， ＾。 ， １ ， ｃ 当 ， ｃ ≤ 时 ， 发 生 自由水跃 ， ＾ ／ ＂ １时 ， 将 而 ｈ ＞ 将发 生 淹没水 跃 ， 且 随着 淹 并 没程度 的加 大 ， 没水 跃 的水跃 长度 也 将大 ＝ 淹 Ｆ自由水跃 长度 。 消力 而 池长 度 决 定于 水 跃 长 度 厶 ， 随过 闸 流量 及 上下 游水 位 的变 化 ， 但 引 起 出流形式 不断 变化 ， 导致 闸后 水跃 形 式发生 变化 ， 而使水 跃 长度 从 也在 发生 变化 。 么水 跃长 度决 定 消力 池 的长度 ， 那 水跃 长度 受水 跃形
的近 似公 式 ：
ｄ ＝ × ＾ 一 ｈ （） Ｉ
式 中， ｄ为 消力 池深 ， 为淹 没 系数 ；’ ｍ； ＾ 为水跃 跃 后水 深 ， ＾ 为下游 尾水深 ， ｍ； ｍ；
由式 （ ） 以看 出， １可 池深 随 （ —ｈ 的增 大 ）
而 增 加 。相 当 于 （ ， ） 最 大 时 ， 得 的 池 ＾ｃ 。 为 ， —ｈ 求
＆ ； 对水 闸安 全最有 利 的消力 池设 计长 ＆ ｏ 如 度。 ％ 明 ｕ 叽
３ 池 深 、 长计 算 结 果 池
计 算 消力池 深 和池长 的计 算结 果 如表 ２所示 。
，
１
＾
ｎ
３ ３ ４
４
∞ 娼
他 表 ２ 消 力 池 池 深 、 长 计 算 表 池
池尺 寸 的影 响是复 杂 多变 的。消力 池 的池深 和 池长取 决 于水跃 的形式 以及 位 置 。水 跃 的形式 和位 置决 定 于
闸下 游尾 水位 ｈ 和 ＾ｃ 跃 的跃 后 水深 的 相对 关 系 。所 以， 和 ＾，的相 对关 系 是影 响 消力 池计算 尺 寸 的 ，水 ， ｈ ， ｃ
式 的影 响 ， 也就是 说 ， ｈｏ ＾ ／ ＂ 的大小 影 响消力 池长 度 的设 计 。而 实 际
水 位 ／ 下 游 水 深 ／ 流 量 Ｑ／ｍ ・ ） ｍ ｍ （ Ｓ
我们计 算 时 ， 容易 忽 略这一 特 点 ， 接套 用规 范 中的公 式 。对于 自由 直 水 跃 和 淹 没水跃 的水 跃 长度 计 算公 式 是不 同的 ： 自由水跃 的长 度 ， 一６ ９ ，－ｈ 与 规范 相 同 ； 没 水跃 厶 ． ， ） ｃ 淹
ｏ∞ ∞∞ ； ２
ｍｍ
由表 ２中可 以看 出 ， ｄ随 （ ， ） 大而变 大 ， （ ， ） ， 。增 ｃ 一＾ 而 ＾ｃ 。 的最 大 值并 不是 流量 的最 大值 ， ， —ｈ 在实 际 设计
中， 容易 忽 略这 一关 系 ， 根据 最 大单宽 流量 Ｅ Ａ ， 一７ Ｈｑ 习惯认 为流 量最 大时 ， 消力 池深 度最 大 ， 导致计 算 上 的