程 琳,張媛媛,李 巖

(河北省南運河河務管理處,河北滄州 061000)

淺析水閘設計中影響消力池設計尺寸的關鍵因素

程 琳,張媛媛,李 巖

(河北省南運河河務管理處,河北滄州 061000)

水閘消力池的深度和長度取決于水躍發(fā)生的形式和位置,而水躍的躍后水深和下游尾水位的相對關系決定水躍的形式,是影響消力池尺寸計算的關鍵因素。但在實際計算中,人們容易忽略水躍形式的判斷,僅利用公式計算導致計算結果不準確。把握好這一關鍵因素,可以避免一些計算過程中的誤區(qū),對消力池的設計計算十分重要。

消力池;水躍;躍后水深;下游尾水位

水閘消力池的設計主要內容是確定消力池的池深和池長。通常設計規(guī)范中給出的計算公式,是針對一個給定的流量和下游水位,而在水閘的運行過程中,過閘流量和下游水位是不斷變化的,消力池需要在各種不同條件下工作。為了保證各種流量時的水躍均發(fā)生在消力池內,消力池的設計尺寸應為各種流量下計算的最大值。因此,在消力池設計計算中,分析影響消力池尺寸的因素,掌握池深和池長的計算特點,可以確保設計結果的合理性和準確性。

在實際計算中,我們不難發(fā)現,消力池的池深和池長并不隨流量的不斷增大而變大,流量的變化對消力池尺寸的影響是復雜多變的。消力池的池深和池長取決于水躍的形式以及位置。水躍的形式和位置決定于閘下游尾水位h′s和h″c水躍的躍后水深的相對關系。所以,h′s和h″c的相對關系是影響消力池計算尺寸的關鍵因素。本文將從兩個方面詳細探討下游尾水深h′s和h″c躍后水深的相對關系對消力池尺寸計算的影響。

1 h″c-h′s對池深計算的影響

水流通過水閘下泄,在下游形成水躍,未設消力池時,會出現三種形式的水躍:即為臨界水躍;遠驅式水躍和淹沒水躍。從水工和消能的角度看,前兩種水躍需要的護坦較長,且不穩(wěn)定,因此,工程設計中,要求下游產生一定淹沒程度的水躍,這樣所需護坦較短,離建筑物較近,消能效果也較好。因此,消力池的設計深度是為了加大水閘下游水深,使水躍控制在緊靠建筑物之處,并形成淹沒程度不大的水躍。

由此可得:池內水深hT=ej×h″c

水躍完全發(fā)生在池內,離開消力池的水流,由于豎向斷面收縮,過水斷面較小,動能增加,水面跌落一個Δz值,

則由圖1可知:hT=d+h′s+Δz

Δz的值較小,可略去不計得到粗略估算池深的近似公式:

式中,d為消力池深,m;ej為淹沒系數;h″c為水躍躍后水深,m;h′s為下游尾水深,m;

圖1 消力池深度計算示意圖

由式(1)可以看出,池深隨(h″c-h′s)的增大而增加。相當于(h″c-h′s)為最大時,求得的池深d為所需消力池的最大深度。那么實際計算中池深d和(h″c-h′s)的關系是否如此,我們再通過下面的例子進行分析。

捷地在南運河來水300 m3/s時,捷地新建泄洪閘分流180 m3/s。閘為3孔,每孔寬4.4 m。下游河道的水位流量關系如表1所示。

2 h′s/h″c對池長計算的影響

水位/m下游水深/m流量Q/(m?s-1) 0 0 0 7.511.6530 7.862.0040 8.192.3350 8.913.0575 9.593.73100 10.154.29125 10.614.75150 11.015.15180

表1 水位流量關系表

在水閘運行過程中,由于閘門開啟度的變化,即流量的變化,下游尾水位h′s與躍后水深h″c之間也在不斷發(fā)生變化,當h′s/h″c≤1時,將發(fā)生自由水躍,而h′s/h″c＞1時,將發(fā)生淹沒水躍,并且隨著淹沒程度的加大,淹沒水躍的水躍長度也將大于自由水躍長度。而消力池長度決定于水躍長度Lj,但隨過閘流量及上下游水位的變化,引起出流形式不斷變化,導致閘后水躍形式發(fā)生變化,從而使水躍長度也在發(fā)生變化。那么水躍長度決定消力池的長度,水躍長度受水躍形式的影響,也就是說,h′s/h″c的大小影響消力池長度的設計。而實際我們計算時,容易忽略這一特點,直接套用規(guī)范中的公式。對于自由水躍和淹沒水躍的水躍長度計算公式是不同的:自由水躍的長度,Lj=6.9(h″c-h′s)與規(guī)范相同;淹沒水躍長度Lj=(4.9s+6.1)h″c,其中,淹沒度s=(h′s-h″c)/h″c。以前面的計算為例,可以看到按兩種方法計算所得的水躍長度,經過比較可以發(fā)現,經過辨別后,按水躍不同形式采用不同公式計算的水躍長度差值比較大,而且隨著流量的增加,差值直線上升,這對于一個較大的工程來說是不容忽視的。

因此,可以說下游尾水位h′s與躍后水深h″c之間的相對大小h′s/h″c直接影響消力池長度的設計。計算消力池長度時,應首先分析h′s/h″c的大小,進而確定水躍形式,選定合適的計算公式,以求得到跟符合實際,對水閘安全最有利的消力池設計長度。

3 池深、池長計算結果

計算消力池深和池長的計算結果如表2所示。

表2 消力池池深、池長計算表

由表2中可以看出,d隨(h″c-h′s)增大而變大,而(h″c-h′s)的最大值并不是流量的最大值,在實際設計中,容易忽略這一關系,根據最大單寬流量E=V ΔHq,習慣認為流量最大時,消力池深度最大,導致計算上的不準確。因為當流量增大時,下游水位也增大,此時上下游水位差并不是最大。所以,根據流量變化并不能直觀的反應池深的變化規(guī)律。而將下游尾水位與躍后水深的相對大小(h″c-h′s)作為關鍵影響因素,可以更直接得到消力池深的設計值。

因此,計算時,我們可以利用這一特點,在給定的流量范圍內對不同的流量計算h″c,并與對應流量下的下游尾水深h′s進行比較,選取(h″c-h′s)的最大值相應的流量,在此流量下計算消力池深為d的設計值。

4 結論

由以上論述可得,下游尾水位h′s和水躍的躍后水深h″c的相對關系對消力池池深、池長的計算有直接關系,是影響消力池設計尺寸的關鍵因素。因此,深入理解并掌握好h′s～h″c的相對關系與消力池尺寸設計的關系,才能避開設計中的一些誤區(qū)和盲點,使設計結果更加符合實際。

[1] 陳寶華,張世儒.水閘[M].北京:中國水利水電出版社,2003.

[2] 張懷斌.淺談水閘下游底流式消能防沖設計的兩個問題[J].吉林水利,2009(7):19-21.

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(責任編輯:郭書俊)

The Key Factors Affecting the Size of Stilling Basin in Sluice Design

CHENG Lin,ZHANG Yuan-yuan,LI Yan
(Hebei South Canal Management Office,061000,Cangzhou,Hebei,China)

The depth and length of sluice stilling basin depends on the form and position of hydrolic jump.The relative relationship between the sequent depth of hydraulic jump and downstream water level determines the form of hydraulic jump,which is the key factor affecting the calculation of stilling basin size.But in the actual calculation,people are easy to ignore the judgement of hydraulic jump form,and only make use of the formula to calculate,which leads to the inaccurate calculation result.Grasping the key factor can avoid the misunderstanding in calculation,which is very important to the design calculation of stilling basin.

stilling basin;hydraulic jump;sequent depth of hydraulic jump;downstream water level

TV653+.1

A

1008-3782(2012)02-0024-03

2012-05-09

程 琳(1982-),女,河北滄州人,河北省南運河河務管理處助理工程師,主要從事工程管理工作。