苑司樂

（北京東方園林股份有限公司，北京 100015）

消力坎高度取值規(guī)律

苑司樂

（北京東方園林股份有限公司，北京 100015）

在水工設(shè)計(jì)中經(jīng)常涉及到消力坎高度的計(jì)算。當(dāng)下泄水流發(fā)生遠(yuǎn)趨式水躍時(shí)應(yīng)設(shè)置消力坎，以消除多余的水流動能。在設(shè)計(jì)消力坎高度時(shí)有些工程師們常常會采用下泄最大流量時(shí)計(jì)算所得的消力坎高度，然而此時(shí)計(jì)算出的結(jié)果并不一定是消力坎高度的最大值，因?yàn)橛锌赡茉谛∮谠O(shè)計(jì)過流能力時(shí)需要的消力坎更高。文章從分析工程設(shè)計(jì)中消力坎的設(shè)計(jì)高度與下泄流量和淹沒狀態(tài)之間的關(guān)系入手，得出消力坎高度與兩者之間的規(guī)律。

消力坎；下泄流量；淹沒系數(shù)；坎高取值；規(guī)律

1 概 述

泄水建筑物下游常設(shè)置一些消能設(shè)施，為下游河底及岸坡起到了很好的保護(hù)作用。泄水建筑物下游的消能方式常用的有底流消能、挑流消能、面流消能。其中底流消能最為常見，因?yàn)榈琢飨軗碛薪Y(jié)構(gòu)簡單、消能效果明顯、對下游水位變幅要求低、對地質(zhì)情況適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，在閘流、堰流、排水等情況下優(yōu)先被采用。

在底流消能設(shè)計(jì)中消力坎設(shè)計(jì)是整個(gè)消能工設(shè)計(jì)中的重要一環(huán)，計(jì)算出的消力坎高度是否合適往往直接影響著消能工能否起到保護(hù)下游免受沖涮的作用。如果消力坎高度的取值并非是工程運(yùn)行中所要求的最大值則可能直接威脅下游工程的安全，但工程實(shí)例中消力坎設(shè)計(jì)高度并不一定是設(shè)計(jì)流量最大值時(shí)計(jì)算出的值，本文主要圍繞消力坎高度的取值與下泄流量及淹沒狀態(tài)兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行分析。

2 消力坎高度設(shè)計(jì)實(shí)例分析

2.1 消力坎高度計(jì)算原理

為保證計(jì)算成果的精確度和可信度，在本案例分析中采用最基本的理論公式，通過Excel表格進(jìn)行直接計(jì)算。采用的理論公式：

式中：E0——上游建筑物總水頭，m；hc——收縮斷面水深，m；q——下泄單寬流量，m3/（s·m）；準(zhǔn)——流速系數(shù)，可由水力學(xué)計(jì)算手冊——第二版表4-2-1查得；h″c——躍后水深，m；c——消力坎高度，m；滓——安全系數(shù)，一般取1.05~ 1.10；滓s——淹沒系數(shù)，可由水力學(xué)計(jì)算手冊——第二版表4-2-2查得；m——過坎水流流量系數(shù)，可取m=0.42。

2.2 消力坎高度計(jì)算模型

由于水力消能工的形式多種多樣，消能工與上下游的銜接形式也因地形、地貌、地質(zhì)而有所不同。下面采用矩形斷面河道中堰閘泄流消能的模型，推求消力坎高度與下泄流量和水流淹沒狀態(tài)的關(guān)系。

為方便計(jì)算，設(shè)定渠道為混凝土渠道，表面采用水泥砂漿抹平，消力坎采用凸起式型式，河道縱降取i=2‰；溢流堰采用曲線實(shí)用堰，溢流堰的上下游底高程相等，設(shè)定上游水頭分別為3，4，5 m等3個(gè)級別。同時(shí)在同一水頭的情況下，分別研究不同流量情況下的消力坎高度及其變化規(guī)律。本文采用橫向和縱向數(shù)據(jù)項(xiàng)目對比分析的方法：橫向上分析在水頭相同，流量變化的情況時(shí)，消力坎的變化規(guī)律；縱向上分析驗(yàn)證不同水頭時(shí)消力坎高度的變化規(guī)律。

2.3 計(jì)算成果

通過水力計(jì)算，可計(jì)算得出在總水頭與下泄流量不同條件下得到收縮斷面水深、躍后水深、相應(yīng)下游水深、消力坎高度、淹沒系數(shù)等主要參數(shù)，計(jì)算所得成果見表1。

根據(jù)以上數(shù)據(jù)成果，繪制消力坎高度與單寬流量和消力坎高度與淹沒系數(shù)之間的相互關(guān)系曲線，繪制的曲線圖，見圖1。

2.4 計(jì)算成果解析

2.4.1 消力坎高度和單寬流量的關(guān)系解析

圖1 堰上消力坎高度及淹沒情況圖

通過對消能工的水力計(jì)算，可繪出消力坎高度在不同水頭情況下與單寬流量之間的關(guān)系曲線，通過繪制的曲線我們可以非常明顯的看到消力坎高度的變化并非是隨著下泄流量的增大而不斷增高的，其高度呈上凸曲線形式的變化。通過幾種情況的分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)流量由小變大時(shí)，起初消力坎的高度增加速度較快，隨后消力坎增加變緩，當(dāng)單寬流量增加到一定值時(shí)，消力坎的高度則達(dá)到一個(gè)極大值，隨流量繼續(xù)增加，消力坎的高度并沒有繼續(xù)增高，反而逐漸降低，隨單寬流量的增加變低程度相比增高時(shí)變化緩慢。

上述圖形清楚的揭示了消力坎高度隨流量增加而變化的規(guī)律，即消力坎高度從零快速變大至極大值，然后又逐漸變小直至為零的過程。

2.4.2 消力坎高度和淹沒狀態(tài)的關(guān)系解析

消力坎高度的變化除與下泄流量有一定關(guān)系外，消力坎高度的極大值還和下游的水流狀態(tài)有關(guān)。當(dāng)淹沒系數(shù)為1.0，水流為自由出流時(shí)，消力坎的高度會隨流量的增加而快速增高，而當(dāng)淹沒系數(shù)小于1.0，為淹沒出流時(shí)，消力坎高度則處于下降階段，消力坎高度會隨淹沒程度的增加而降低。水流當(dāng)由非淹沒流狀態(tài)變?yōu)檠蜎]流狀態(tài)時(shí)則為消力坎高度的極大值。

2.4.3 對上述現(xiàn)象的原因解析

當(dāng)水流起初下泄時(shí)水流較小，水流所攜帶的能量也非常小，所以在水流較小時(shí)采用較低的消力坎即可消耗多余的能量，當(dāng)下泄水流逐漸增大時(shí)，水流所攜帶的能量也成正比增加，而此時(shí)的下游水深則相應(yīng)的增加，而增加的水深可消耗部分增加的水流動能，但不足以抵消增加的全部水流動能，所以此時(shí)消力坎的高度會隨水流的增加而增加，但并不是同下泄量成正比例增加，而是其增加量逐漸變慢的。

當(dāng)下游水深增加到足以形成淹沒水流，且能消耗因流量增加而增加的多余能量時(shí)，此時(shí)消力坎的計(jì)算高度則不再增加，消力坎高度達(dá)到極大值。

表1 堰上不同水頭時(shí)消力坎高度及淹沒情況計(jì)算成果

下泄流量進(jìn)一步增加時(shí)，下游的水深同時(shí)也在增加，下游淹沒水流可消耗水流多余動能的能力也在增大，當(dāng)淹沒水流能夠完全消耗上游下泄的水流多余能量時(shí)，此時(shí)消力坎的計(jì)算高度則為零，此時(shí)不再需要設(shè)置消力坎消能了。

3 結(jié) 語

經(jīng)過一系列的水力學(xué)計(jì)算，本文探索了消力坎高度和單寬下泄流量及水流淹沒狀態(tài)之間的關(guān)系。得出消力坎隨流量的增加而增加是在非淹沒狀態(tài)情況下成立的，當(dāng)水流為淹沒狀態(tài)時(shí)則不成立。

當(dāng)計(jì)算所得消力坎高度對應(yīng)的水流為淹沒狀態(tài)時(shí)，一種方法是需要計(jì)算多個(gè)較小流量時(shí)的消力坎高度，尋找消力坎的最大值。另一種方法是首先找到自由出流和淹沒出流分界時(shí)的下泄流量，可按照以上所得消力坎高度與淹沒狀態(tài)之間的規(guī)律，在自由出流和淹沒出流水流交替附近計(jì)算并尋找消力坎的極大值，也既是消力坎高度的設(shè)計(jì)值。

［1］李煒主編.水力學(xué)計(jì)算手冊（第二版）［M］.北京：中國水利水電出版社，2006.

［2］吳持恭主編.水力學(xué)（第四版）［M］.北京：高等教育出版社，2008.

［3］喬雙全，伏世紅，孟祥國.Excel迭代功能在水力計(jì)算中的應(yīng)用［J］.黑龍江水利科技， 2011（05）.

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