對(duì)水閘消能防沖設(shè)計(jì)的探討

1、<p>　　對(duì)水閘消能防沖設(shè)計(jì)的探討</p><p>　　摘要：水利工程中，水閘的應(yīng)用較為廣泛，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，水閘工程的排水問(wèn)題往往成為決定建筑物使用壽命的關(guān)鍵，本文就水閘下游底流式消能設(shè)計(jì)遇到的若干問(wèn)題進(jìn)行分析。 </p><p>　　關(guān)鍵詞: 水閘 水躍消能防沖設(shè)計(jì) 消力池淹沒度 </p><p>　　中圖分類號(hào)：S611 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：

2、</p><p><b>　　前言 </b></p><p>　　水閘泄水時(shí)，部分勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，流速增大，對(duì)下游河床會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖刷，如不采取有效的措施，必將掏深河槽，甚至危及建筑物安全。因此，水閘下游水力設(shè)計(jì)的主要任務(wù)就是選擇適當(dāng)?shù)南艽胧?，現(xiàn)在的水閘一般采用底流式消能，在消力池內(nèi)產(chǎn)生水躍，使閘下急流轉(zhuǎn)變?yōu)榫徚?，從而保證建筑物的安全。 </p>&l

3、t;p>　　一、選擇下游消能防沖設(shè)計(jì)所對(duì)應(yīng)的過(guò)閘水流形態(tài) </p><p>　　堰流和閘孔出流是兩種不同的水流現(xiàn)象，但在同一個(gè)建筑物的運(yùn)行過(guò)程中會(huì)相互交替出現(xiàn)。對(duì)于同一座水閘，當(dāng)上游來(lái)水小于等于下游用水時(shí)，閘門提起，水閘不起控制作用，過(guò)閘水流為堰流流態(tài)；當(dāng)上游來(lái)水較大，而下游需水量較小時(shí)，需要閘門控制過(guò)閘流量，這時(shí)的水流狀態(tài)為閘孔出流。對(duì)于閘后消能防沖設(shè)計(jì)而言，過(guò)閘水流是堰流或是閘孔出流，不同主要反映在閘前

4、水頭上。就是說(shuō)，當(dāng)下游渠道都通過(guò)設(shè)計(jì)流量時(shí)，閘孔出流時(shí)的閘前水頭要比堰流時(shí)的要高，水深要深，也就是消力池長(zhǎng)度、深度計(jì)算公式中的“由消力池底板頂面算起的總勢(shì)能To”大。從消力池計(jì)算公式上我們不難得出這樣的結(jié)論：水閘在通過(guò)相同流量時(shí)，閘前水頭越高，需要的消力池深度越深，長(zhǎng)度越長(zhǎng)。因此在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)首先判斷最不利情況時(shí)的水流狀態(tài)，究竟是堰流還是閘孔出流。只有分析清楚水閘運(yùn)行的最不利工況，才能正確地計(jì)算出消力池需要的長(zhǎng)度和深度。 </p>

5、;<p>　　二、 閘下尾水深度對(duì)消能防沖設(shè)計(jì)的影響 </p><p>　　根據(jù)水閘下游渠道水深(即閘下尾水深度)與躍后水深的相對(duì)大小，可以將水躍分為臨界水躍、遠(yuǎn)驅(qū)式水躍和淹沒水躍三種類別。臨界水躍和遠(yuǎn)驅(qū)式水躍又統(tǒng)稱為自由水躍，自由水躍消能效果較好，但水躍發(fā)生的位置距離水閘較遠(yuǎn)，防沖措施需要很長(zhǎng)，工程投資大，不經(jīng)濟(jì)。為了使自由水躍變成具有一定淹沒程度的淹沒水躍，必須設(shè)法加大閘下尾水深度，使水躍在緊靠

6、水閘處發(fā)生?！端l設(shè)計(jì)規(guī)范》提供了下挖式消力池的設(shè)計(jì)方法，能夠很好地解決閘后發(fā)生自由水躍情況時(shí)的消能防沖設(shè)計(jì)。《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL265―2001)中對(duì)于閘后消能防沖布置做了如下說(shuō)明： </p><p>　　水閘消能防沖布置應(yīng)根據(jù)閘基地質(zhì)情況、水力條件以及閘門控制運(yùn)用方式等因素，進(jìn)行綜合分析確定。水閘閘下宜采用底流式消能。其消能設(shè)施的布置型式可按下列情況經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后確定： </p><p

7、>　　1)當(dāng)閘下尾水深度小于躍后水深時(shí)，可采用下挖式消力池消能。消力池可采用斜坡面與閘底板相連接，斜坡面的坡度不宜陡于l：4。 </p><p>　　2)當(dāng)閘下尾水深度略小于躍后水深時(shí)，可采用突檻式消力池消能。 </p><p>　　3)當(dāng)閘下尾水深度遠(yuǎn)小于躍后水深，且計(jì)算消力池深度又較深時(shí)，可采用下挖式消力池與突檻式消力池相結(jié)合的綜合式消力池消能。 </p><

8、p>　　4)當(dāng)水閘上、下游水位差較大，且尾水深度較淺時(shí)，宜采用二級(jí)或多級(jí)消力池消能。并對(duì)于底流式消能型式給出了公式：消力池深度可按以下公式計(jì)算： </p><p>　　式中：為消力池深度(m)；為水躍淹沒系數(shù)，可采用1.05―1.10； 為躍后水深(m)；為收縮水深(m)；為水流動(dòng)能校正系數(shù)，可采用1.0―1.05；為過(guò)閘單寬流量(m2／s)；為消力池首端寬度(m)；為消力池末端寬度(m)；為由消力池底板頂

9、面算起的總勢(shì)能(m)；為出池落差(m)；為孔流流速系數(shù)，可采用0.95―1.0；為出池河床水深(m)。 </p><p>　　消力池長(zhǎng)度可按以下公式計(jì)算： </p><p>　　式中：為消力池長(zhǎng)度(m)；為消力池斜坡段水平投影長(zhǎng)度(m)；為水躍長(zhǎng)度校正系數(shù)，可采用0.7―0.8；為水躍長(zhǎng)度(m)。 </p><p>　　以上公式為我們解決了“閘下尾水深度小于躍后水深

10、”的情況。而在水閘設(shè)計(jì)中會(huì)經(jīng)常遇到另外一種情況：當(dāng)閘下尾水深度大于躍后水深，且計(jì)算出消力池深度又較淺時(shí)(在平原灌區(qū)渠系中的擋、泄水建筑物的閘前水深較小，上、下游水頭差不大，多出現(xiàn)這種情況)，此時(shí)發(fā)生的水躍為淹沒式水躍，如果我們還按上述公式計(jì)算，設(shè)計(jì)下挖式消力池深度和長(zhǎng)度，就會(huì)使淹沒水躍的淹沒程度更大，成為波狀水躍，向下游傳播的很遠(yuǎn)，消能效率很差，對(duì)下游渠道沖刷嚴(yán)重。那么在這種情況下我們應(yīng)該選用什么公式來(lái)計(jì)算消力池長(zhǎng)度，選擇什么型式的消能

11、防沖措施呢?在王世夏教授編著的《水工設(shè)計(jì)的理論和方法》一書中，看到淹沒水躍躍長(zhǎng)公式應(yīng)采用拉賈納南的淹沒水躍躍長(zhǎng)經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)計(jì)算，其中為淹沒度，，剩余符號(hào)同前。在這里不妨以某樞紐進(jìn)水閘后消能防沖計(jì)算為例，用以上兩種躍長(zhǎng)公式分別進(jìn)行計(jì)算，看有哪些區(qū)別。 </p><p>　　某樞紐進(jìn)水閘閘后放水渠設(shè)計(jì)為梯形斷面土渠。對(duì)于消能防沖設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，最不利工況時(shí)的為3.3lm， (消力池首端寬度)為14m， (消力池末端寬度)為2

12、3 m，其它的設(shè)計(jì)參數(shù)：為糙率，土渠取0.025；為渠底縱坡，取1／lO 000；為渠道底寬，取23 m；為渠道邊坡系數(shù)為2.75；為渠道設(shè)計(jì)流量取38m3／s。 </p><p>　　表一 消力池設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算表 (注：表中符號(hào)及單位同上) </p><p><b>　　試算 </b></p><p>　　從上表中可以看出，在過(guò)閘流量較小時(shí)，閘

13、下尾水深度，小于躍后水深，發(fā)生自由水躍。隨著流量的加大，水躍位置也隨著閘下尾水深度，的增加而向上游移動(dòng)。當(dāng)過(guò)閘流量增大到lOm3／s時(shí)，閘下尾水深度，已經(jīng)大于躍后水深，這時(shí)閘后水躍由自由水躍變成了淹沒水躍(如果流量增大的級(jí)數(shù)再小一些，可能不是在10m3／s時(shí)發(fā)生轉(zhuǎn)變的)，表中和按計(jì)算公式不同，算出兩列數(shù)據(jù)，第一列一律是按《規(guī)范》中用于自由水躍躍長(zhǎng)計(jì)算公式算出的數(shù)據(jù)，而第二列則是按發(fā)生的水躍類別不同，分別按《規(guī)范》中自由水躍躍長(zhǎng)公式和拉賈

14、納南的淹沒水躍躍長(zhǎng)經(jīng)驗(yàn)公式算出的數(shù)據(jù)。 </p><p>　　在設(shè)計(jì)時(shí)如果沒有分析清楚不同工況下的水躍類別，必將選錯(cuò)計(jì)算公式，從而導(dǎo)致設(shè)計(jì)的失誤。從上表某樞紐進(jìn)水閘閘后的水躍長(zhǎng)度計(jì)算結(jié)果看，雖然直到過(guò)閘流量增大為設(shè)計(jì)流量時(shí)，兩種方法計(jì)算的數(shù)據(jù)8.48和12.78之間只差4.3m，但從差值變化趨勢(shì)看，隨著流量的增加，差值成直線上升勢(shì)頭，這對(duì)于一個(gè)更大的工程來(lái)說(shuō)是不能低估的。 </p><p>

15、;　　從消力池深度計(jì)算一列中可以看出，在流量較小時(shí)需要深度不大的消力池，而在大流量時(shí)不需要設(shè)置，自身的淹沒系數(shù)已經(jīng)大于了1.08。如果此時(shí)我們?nèi)匀辉O(shè)置深度為0.5m的構(gòu)造消力池，不僅會(huì)增大工程投資，也會(huì)造成水躍的淹沒度進(jìn)一步加大，躍長(zhǎng)更長(zhǎng)，消能效果降低，給下游海漫段增加負(fù)擔(dān)。這也說(shuō)明：消力池并不是越深越好。那么，對(duì)于這種情況應(yīng)采用什么型式的消能防沖措施呢?作為一名初級(jí)水利工程設(shè)計(jì)人員，受條件的局限沒能做水工模型實(shí)驗(yàn)，但通過(guò)參觀考察一些工

16、程的運(yùn)行狀況，并查閱相關(guān)的水工書籍，我大膽的設(shè)想，平底突檻式兩級(jí)消力池用在此處，應(yīng)能達(dá)到較好的消能效果(如圖1)。 </p><p>　　1．閘底板2．一級(jí)消力池3．二級(jí)消力池 </p><p>　　圖1 平底突檻式兩級(jí)消力池示意圖 </p><p>　　當(dāng)水閘泄放小流量時(shí)，利用一級(jí)消力池的突檻就可以解決發(fā)生自由水躍的消能防沖問(wèn)題；當(dāng)水閘泄放大流量時(shí)，通過(guò)兩級(jí)消力池

17、消能。如上圖所示，水流通過(guò)第一個(gè)突檻時(shí)，水面跌落，閘下尾水深度對(duì)一級(jí)消力池內(nèi)水躍的發(fā)生不產(chǎn)生影響，這樣一級(jí)消力池的池長(zhǎng)和突檻高度就可以按照“閘下尾水深度小于躍后水深”的情況進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。水流穿過(guò)一級(jí)消力池后，大部分動(dòng)能已經(jīng)“消除”，受二級(jí)消力池突檻的阻擋，水流流速進(jìn)一步減小，達(dá)到下游渠床正常流速。另外，在地勢(shì)條件允許的工程中還可以采用坡度不陡于1：4的斜坡式消力池進(jìn)行消能(如圖2)。 </p><p>　　圈2斜

18、坡式消力池示意圖 </p><p>　　斜坡式消力池的護(hù)坦面是由平底和其前端斜坡組成的折面。斜坡面可提供各種水深條件以適應(yīng)不同的水躍共軛水深，而使水躍發(fā)生在斜坡面上，并且淹沒度不大。 </p><p><b>　　結(jié)束語(yǔ) </b></p><p>　　以上只是從水力計(jì)算的兩個(gè)方面來(lái)考慮下游消能防沖設(shè)計(jì)。對(duì)于一個(gè)具體的工程，還應(yīng)充分考慮施工、投資

19、等各方面的因素，綜合分析確定選用什么形式的消能防沖措施。前面提出的兩種消能防沖措施，能否取得良好的消能防沖效果，還要通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。 </p><p><b>　　參考文獻(xiàn) </b></p><p>　　[1] 張懷斌.淺談水閘下游底流式消能防沖設(shè)計(jì)的兩個(gè)問(wèn)題[J].吉林水利,2009（07）. </p><p>　　[2] 韓才冬，王雪豐.水閘