程漢昆，欒俊亮

（大連市水利規(guī)劃設計院，遼寧 大連116021）

泄水建筑物下游水流銜接與消能常見的類型有：底流消能、挑流消能及面、戽流消能。平原地區(qū)的水閘，由于水頭低，下游水位變幅大，一般都采用底流式消能。底流消能主要的型式又分為：尾坎式、挖深式及綜合式。底流消能是利用水躍的原理，靠水躍產(chǎn)生的表面旋滾與底部主流間的強烈紊動、剪切和摻混作用消除余能。

消力池的消能設計主要是確定消力池的池深及池長。隨著過閘流量的不同，產(chǎn)生的水躍及上下游的銜接形式也不盡相同，因此，在進行消力池設計的時候，將過閘流量分成幾種工況來分別計算是有必要的。

1 計算方法

挖深式消力池示意圖見圖1。計算公式參考《水閘設計規(guī)范》附錄B及《水力計算手冊》。

圖1 挖深式消力池

1.1 消力池池深d的計算

如圖1，建消力池前，收縮斷面的位置在c1-c1處，發(fā)生遠驅(qū)式水躍，需要將下游河床挖深一定的深度形成消力池，目的是加大下游水深。護坦高程降低一個d值后，收縮斷面的位置將由斷面c1-c1下移至c-c處，收縮水深相應由hc1變成hc，E0=E′0+d。

由圖1可以看出，消力池的水深應稍微大于hc的共軛水深，即滿足下式：

式中：σ水躍淹沒系數(shù)，一般取1.05；h″c護坦高程降低后收縮水深hc的躍后水深。

又由圖1中幾何關(guān)系，消力池內(nèi)的水深h″等于下游水深hs、池深d和△Z之和。即：

△Z是當水流由消力池進入下游河道時，由于豎向收縮，過水斷面減小，動能增加，水面產(chǎn)生的跌落，其值可由能量方程求得。

對消力池出口上游斷面1-1及下游斷面2-2列出能量方程式，以通過下游斷面2-2底部的水平面作基準面，得：

整理成：

令α1=1；并以帶入式（4），則得：

式中：φ′消力池流速系數(shù)，它決定于消力池出口處的頂部形式，一般取0.95。

將（2）式帶入到（1）式中，則消力池深度d的計算公式為：

若將式（6）中的△Z忽略，以河床高程計算收縮水深，可得到粗略的估算池深的公式：

及（5）、（6）4個方程聯(lián)合求解消力池深度d。但d和h″c之間是一個復雜的隱函數(shù)關(guān)系，故求解d時常用到試算法或圖解法。

1.2 消力池池長Lk計算

消力池的作用是將水躍穩(wěn)定在池內(nèi)，按道理其長度應與水躍長度相當，但消力池內(nèi)的水躍受到消力池末端的垂直壁面產(chǎn)生的一個反向作用力，減小了水躍的長度，池內(nèi)實際上產(chǎn)生的是強迫水躍。所以，消力池內(nèi)的水躍長度僅為平底自由水躍長度的70%~80%。

由此可得，消力池長度為Lk=（0.7~0.8）Lj，其中Lj為平底渠道中的自由水躍長度。

1.3 消力池設計流量的選擇

上述計算過程是針對一個流量所得出的結(jié)果，而在任何實際工程的泄水建筑物都不可能在一個固定的流量下運行。因此，消力池必須滿足在不同流量的情況下池中都能產(chǎn)生淹沒水躍的要求，這就必須選擇一個合適的流量設計消力池的尺寸。

對于池長計算方面，前面已經(jīng)闡述了其長度取決于水躍長度。由水躍特性得知，水躍長度與流量成正比。因此，應以通過建筑物最大流量作為消力池長度的設計流量。

2 工程實例

2.1 工程概述

普蘭店市大譚鎮(zhèn)供水工程通過治理夾河興唐線至云峰渡槽區(qū)段堤防，在河道上新建擋水堰及水閘形成兩處蓄水塘壩，通過與河道連通的滲渠輸水至堤外方塘內(nèi)，經(jīng)與方塘連接的凈水廠進行凈化處理，由泵站加壓通過管道輸水至大譚鎮(zhèn)。

工程中涉及到水閘工程等別為Ⅲ等，主要建筑物級別為4級，設計防洪標準為10年一遇，設計過閘流量為322.39 m3/s。單孔凈寬為4.0 m，共10孔，總寬度為49.8 m。水閘由鋪蓋、閘室、消力池、海漫及防沖槽組成。其中消力池采用挖深式消力池。

2.2 水閘消力池計算分析

由于池深d達到最大時的流量并不一定是通過建筑物的最大流量，所以選擇322.39，300.00，250.00，200.00 m3/s等4種下泄流量分別進行計算。

首先由水閘的布置形式及4種工況下的下泄流量進行水躍計算，算得4種工況下對應的收縮斷面水深及躍后水深，成果見表1。

表1 水躍計算成果表

4種工況下對應的下游水深，采用逐段試算法：

計算出4種工況下對應的下游水深及躍后水深與下游水深之差，見表2。

表2 下游水深計算表

計算消力池池深與池長的試算過程如下：

1）令△Z=0，確定池深的初始值為d0=σ-hs；

4）利用公式d1=σ-（hs+△Z）計算出d1并與d0進行比較，若|d1-d0|≤5 cm則計算結(jié)束，否則重新設置d2回到第2步，直至|di+1-di|≤5 cm；

5）按照最大流量計算池長，池長的計算公式為Lk=（0.7~0.8）Lj。

按照上述步驟計算消力池池深為0.522 m，消力池池長為15.29 m。

3 結(jié) 語

水閘泄水時，部分勢能轉(zhuǎn)化為動能，流速增大，而土質(zhì)河床抗沖能力低，所以，閘下沖刷是個普遍的現(xiàn)象。不危害建筑物安全的沖刷，一般來說是允許的，但對于有害的沖刷，則在設計運行中需給予充分的重視。

水閘的消能防沖設計須根據(jù)具體情況，將地質(zhì)地形條件、合理的過閘流量設計工況、技術(shù)經(jīng)濟比較等不同的要素考慮進去這樣才能使建成后的水閘運行安全可靠，發(fā)揮最大的經(jīng)濟效益。

［1］SL265-2001，水閘設計規(guī)范［S］.北京：中國水利水電出版社，2001.

［2］高學平，張效先.水力學［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008.

［3］林建洪.北溪水閘樞紐下游消能防沖設施除險加固研究［J］.東北水利水電，2011，29（1）：63—66.

［4］唐群新.水閘消能計算的分析研究［J］.中國水運，2008，8（3）：149—150.

［5］胡順志，鞠曄，鄭軍.靖宇縣福生水電站泄水建筑物設計［J］.東北水利水電，2012，30（8）：10-11.