浅论水闸对水闸消能防冲设计

论文导读：，能够很好地解决闸后发生自由水跃情况时的消能防冲设计。《水闸设计规范》(SL265—2001)中对于闸后消能防冲布置做了如下说明：水闸消能防冲布置应根据闸基地质情况、水力条件以及闸门控制运用方式等因素，进行综合分析确定。水闸闸下宜采用底流式消能。其消能设施的布置型式可按下列情况经技术经济比较后确定：1)当闸下
摘要：水利工程中，水闸的应用较为广泛，在设计过程中，水闸工程的排水问题往往成为决定建筑物使用寿命的关键，本文就水闸下游底流式消能设计遇到的若干问题进行分析。
关键词: 水闸 水跃消能防冲设计 消力池淹没度

前言
水闸泄水时，部分势能转化为动能，流速增大，对下游河床会产生强烈的冲刷，如不采取有效的措施，必将掏深河槽，甚至危及建筑物安全。因此，水闸下游水力设计的主要任务就是选择适当的消能措施，现在的水闸一般采用底流式消能，在消力池内产生水跃，使闸下急流转变为缓流，从而保证建筑物的安全。

一、选择下游消能防冲设计所对应的过闸水流形态

堰流和闸孔出流是两种不同的水流现象，但在同一个建筑物的运行过程中会相互交替出现。对于同一座水闸，当上游来水小于等于下游用水时，闸门提起，水闸不起控制作用，过闸水流为堰流流态；当上游来水较大，而下游需水量较小时，需要闸门控制过闸流量，这时的水流状态为闸孔出流。对于闸后消能防冲设计而言，过闸水流是堰流或是闸孔出流，不同主要反映在闸前水头上。就是说，当下游渠道都通过设计流量时，闸孔出流时的闸前水头要比堰流时的要高，水深要深，也就是消力池长度、深度计算公式中的“由消力池底板顶面算起的总势能To”大。从消力池计算公式上我们不难得出这样的结论：水闸在通过相同流量时，闸前水头越高，需要的消力池深度越深，长度越长。因此在设计时应首先判断最不利情况时的水流状态，究竟是堰流还是闸孔出流。只有分析清楚水闸运行的最不利工况，才能正确地计算出消力池需要的长度和深度。

二、 闸下尾水深度对消能防冲设计的影响

根据水闸下游渠道水深(即闸下尾水深度)与跃后水深的相对大小，可以将水跃分为临界水跃、远驱式水跃和淹没水跃三种类别。临界水跃和远驱式水跃又统称为自由水跃，自由水跃消能效果较好，但水跃发生的位置距离水闸较远，防冲措施需要很长，工程投资大，不经济。为了使自由水跃变成具有一定淹没程度的淹没水跃，必须设法加大闸下尾水深度，使水跃在紧靠水闸处发生。《水闸设计规范》提供了下挖式消力池的设计方法，能够很好地解决闸后发生自由水跃情况时的消能防冲设计。《水闸设计规范》(SL265—2001)中对于闸后消能防冲布置做了如下说明：
水闸消能防冲布置应根据闸基地质情况、水力条件以及闸门控制运用方式等因素，进行综合分析确定。水闸闸下宜采用底流式消能。其消能设施的布置型式可按下列情况经技术经济比较后确定：
1)当闸下尾水深度小于跃后水深时，可采用下挖式消力池消能。消力池可采用斜坡面与闸底板相连接，斜坡面的坡度不宜陡于l：4。
2)当闸下尾水深度略小于跃后水深时，可采用突槛式消力池消能。
3)当闸下尾水深度远小于跃后水深，且计算消力池深度又较深时，可采用下挖式消力池与突槛式消力池相结合的综合式消力池消能。
4)当水闸上、下游水位差较大，且尾水深度较浅时，宜采用二级或多级消力池消能。并对于底流式消能型式给出了公式：消力池深度可按以下公式计算：


式中：为消力池深度(m)；为水跃淹没系数，可采用1.05—1.10； 为跃后水深(m)；为收缩水深(m)；为水流动能校正系数，可采用1.0—1.05；为过闸单宽流量(m2／s)；为消力池首端宽度(m)；为消力池末端宽度(m)；为由消力池底板顶面算起的总势能(m)；为出池落差(m)；为孔流流速系数，可采用0.95—1.0；为出池河床水深(m)。
消力池长度可按以下公式计算：

式中：为消力池长度(m)；为消力池斜坡段水平投影长度(m)；为水跃长度校正系数，可采用0.7—0.8；为水跃长度(m)。
以上公式为我们解决了“闸下尾水深度小于跃后水深”的情况。而在水闸设计中会经常遇到另外一种情况：当闸下尾水深度大于跃后水深，且计算出消力池深度又较浅时(在平原灌区渠系中的挡、泄水建筑物的闸前水深较小，上、下游水头差不大，多出现这种情况)，此时发生的水跃为淹没式水跃，如果我们还按上述公式计算，设计下挖式消力池深度和长度，就会使淹没水跃的淹没程度更大，成为波状水跃，向下游传播的很远，消能效率很差，对下游渠道冲刷严重。那么在这种情况下我们应该选用什么公式来计算消力池长度，选择什么型式的消能防冲措施呢?在王世夏教授编著的《论文导读：
水工设计的理论和方法》一书中，看到淹没水跃跃长公式应采用拉贾纳南的淹没水跃跃长经验公式来计算，其中为淹没度，，剩余符号同前。在这里不妨以某枢纽进水闸后消能防冲计算为例，用以上两种跃长公式分别进行计算，看有哪些区别。
某枢纽进水闸闸后放水渠设计为梯形断面土渠。对于消能防冲设计来说，最不利工况时的为3.3lm， (消力池首端宽度)为14m， (消力池末端宽度)为23 m，其它的设计参数：为糙率，土渠取0.025；为渠底纵坡，取1／lO 000；为渠道底宽，取23 m；为渠道边坡系数为

2.75；为渠道设计流量取38m3／s。

表

一、消力池设计参数计算表 (注：表中符号及单位同上)

试算

从上表中可以看出，在过闸流量较小时，闸下尾水深度，小于跃后水深，发生自由水跃。随着流量的加大，水跃位置也随着闸下尾水深度，的增加而向上游移动。当过闸流量增大到lOm3／s时，闸下尾水深度，已经大于跃后水深，这时闸后水跃由自由水跃变成了淹没水跃(如果流量增大的级数再小一些，可能不是在10m3／s时发生转变的)，表中和按计算公式不同，算出两列数据，第一列一律是按《规范》中用于自由水跃跃长计算公式算出的数据，而第二列则是按发生的水跃类别不同，分别按《规范》中自由水跃跃长公式和拉贾纳南的淹没水跃跃长经验公式算出的数据。
在设计时如果没有分析清楚不同工况下的水跃类别，必将选错计算公式，从而导致设计的失误。从上表某枢纽进水闸闸后的水跃长度计算结果看，虽然直到过闸流量增大为设计流量时，两种方法计算的数据8.48和12.78之间只差4.3m，但从差值变化趋势看，随着流量的增加，差值成直线上升势头，这对于一个更大的工程来说是不能低估的。
从消力池深度计算一列中可以看出，在流量较小时需要深度不大的消力池，而在大流量时不需要设置，自身的淹没系数已经大于了1.08。如果此时我们仍然设置深度为0.5m的构造消力池，不仅会增大工程投资，也会造成水跃的淹没度进一步加大，跃长更长，消能效果降低，给下游海漫段增加负担。这也说明：消力池并不是越深越好。那么，对于这种情况应采用什么型式的消能防冲措施呢?作为一名初级水利工程设计人员，受条件的局限没能做水工模型实验，但通过参观考察一些工程的运行状况，并查阅相关的水工书籍，我大胆的设想，平底突槛式两级消力池用在此处，应能达到较好的消能效果(如图1)。
1．闸底板2．一级消力池3．二级消力池
图1 平底突槛式两级消力池示意图
当水闸泄放小流量时，利用一级消力池的突槛就可以解决发生自由水跃的消能防冲问题；当水闸泄放大流量时，通过两级消力池消能。如摘自：学士论文www.7ctime.com
上图所示，水流通过第一个突槛时，水面跌落，闸下尾水深度对一级消力池内水跃的发生不产生影响，这样一级消力池的池长和突槛高度就可以按照“闸下尾水深度小于跃后水深”的情况进行设计计算。水流穿过一级消力池后，大部分动能已经“消除”，受二级消力池突槛的阻挡，水流流速进一步减小，达到下游渠床正常流速。另外，在地势条件允许的工程中还可以采用坡度不陡于1：4的斜坡式消力池进行消能(如图2)。
圈2斜坡式消力池示意图
斜坡式消力池的护坦面是由平底和其前端斜坡组成的折面。斜坡面可提供各种水深条件以适应不同的水跃共轭水深，而使水跃发生在斜坡面上，并且淹没度不大。
结束语
以上只是从水力计算的两个方面来考虑下游消能防冲设计。对于一个具体的工程，还应充分考虑施工、投资等各方面的因素，综合分析确定选用什么形式的消能防冲措施。前面提出的两种消能防冲措施，能否取得良好的消能防冲效果，还要通过实验验证。
参考文献
张怀斌.浅谈水闸下游底流式消能防冲设计的两个问题[J].吉林水利,2009（07）.
韩才冬，王雪丰.水闸消能防冲的数值模拟[J].上海水务,2009（02）.