关于水闸闸后消能设计计算

关于水闸闸后消能设计计算的探讨摘要：水闸泄水时部分势能转为动能,流速增大,因此闸下冲刷是一个普遍且严重的问题,一般采用消力池消杀闸门出口处急流动能。闸下有害冲刷原因是多方面的,有的是设计不当,有的是运用管理不善,本文以实例就对消能设计条件、跃前水深、跃后水深、下游水深,以及他们之间相互关系从设计角度进行论述,使得水闸闸

后消能设计计算更加贴近实际,解决问题。

关键词：消能池；设计条件；公式；临界水深

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尽与跃前断面的能量ei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/ei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。针对消能工设计条件及下游水深hs，对消力池及海漫的影响作些探讨。

1水闸消能工控制条件及消能不利原因

依据一些水闸的实际运行工况及消能工破坏实例分析，水闸消能工设计的控制条件，往往不一定是以泄设计洪水时为最不利工况，而且，不同类型的水闸的消能设计条件也不相同。故在消能工的设计中，除需要考虑上下游水位、过闸流量、闸门启闭的组合程序等因素外，还必须做大量的分析工作，以确定消能工设计的最不利组合，设计中切不可简单地加以假定。笔者通过对一些消力池水力状况恶劣的水闸的观察分析，总结出消力池计算深度过深或形成

不了淹没水跃，消能率较低的主要原因为:①由于受上游洪水流量和下游潮位不断变化的影响，过闸水流的水位、流量及流速均在不断变化，设计者计算时未能加以——分析，而是简单地定了一个上下游水位;②下游水位很低时，未能结合对下游水面曲线的分析，考虑对闸门的开度、启闭顺序进行控制或设置多级消力池;③未能结合设置一些消力墩等辅助消能工，促使水跃的发生。

2在不同下游水位情况下的消能防冲设计

2.1下游水深hs＜hk(临界水深)

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，这样，即可求出消力池末端水深，此值与从hc”对比，即为淹没系数δ，要求δ值在1.05～1.1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＞５m的水平调整蔗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。

2.2下游水深hk＜hs＜0.8h0

下游水深对出流没有影响，故池内淹没情况仍可按宽顶堰自由出流公式计算。对于水平调整后的水深可按hs计算，由于愈向下游流速愈小，对海漫的冲刷亦愈小。但对于海漫末端的防冲槽，由于关系到河道的冲刷安全，必须精心设计和施工。

2.3下游水深hs＞0.8h0

消力池出口为淹没流。由于下游水位抬高，消力池出口处的水深亦相应增加，因而在保证相同淹没系数情况下，消力池可以开挖得稍浅一些。

3实例介绍

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2m×4m，上游水位3.40m，下游水位1.5m,该闸底板高程1.0m，初步拟定的消能防冲结构见图1。

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, h0≈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+q2/2gφ2 hc2 ,假定消力池池深1.2m，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二48.18/9＝5.353 m2/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＝0.754m，再代入求hc”的公式中，得hc”＝2.432m

3.3求消力池出口的水深

先求hk

b＝9+2×l7×tg8o＝13.78m, q＝48.18/13.78＝3.496m3/s,hk ＝(q2/g)1/3

计算求得hk＝1.076m

由于下游水深为0.5m＜hk，故出口处可按宽顶堰自由出流公式计算h0

h0＝(q/(2g)1/em)2/3,e为侧收缩系数，e＝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＝3.4962/19.62×(2.432×1.05)2＝0.096m,

则得实际堰顶水深h1＝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＞1.1，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＜0.80，故不会影响闸下的出流。

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＝48.18/1.076×13.78二3.249m/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b1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＝3.249m/s;在距始端1.0m处，v＝3.914m/s，在距始端7.45m处vmax均＝5.469m/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＝

5.469m/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0.2～0.3m)，其允许流速v≥

6m/s，属于安全。

注：文章内所有公式及图表请用pdf形式查看。