水資源工程中消能模型的水力計算

　　 摘要：在水資源工程中，閘室的泄流能力直接影響水流的佛氏數(shù)Fr， Fr數(shù)越小，泄流能力越大，因此在工程中應(yīng)正確的計算每個消能建筑物的泄流能力。本文以水資源工程中低水頭消能工具模型為基礎(chǔ)，建立起關(guān)于水資源工程消能建筑布置的水力計算，為消能建筑物的布置提供了參考依據(jù)。
　　關(guān)鍵詞：水資源工程；水利模型；消能建筑；消能率
　　中圖分類號：V2 文獻標識碼：A文章編號：1672-3791(2011)06(c)-0000-00
　　
　　1 建筑物模型的出流方式
　　1.1開敞式出流
　　開敞式泄流建筑主要有實用堰和寬頂堰兩種形式，低水頭消能的模型采用了寬頂堰式出流，關(guān)于閘壩堰流流量計算公式，現(xiàn)行國家行業(yè)標準SL265-2001《水閘設(shè)計規(guī)范》中規(guī)定如下:
　　
　　式中:Q-為堰流流量(ms/s);σ-為堰流淹沒系數(shù);ε-為堰流側(cè)收縮系數(shù);m-為堰流流量系數(shù);B-為閘孔總凈寬(m);g-為重力加速度(m/s);H-為計入行近流速的上游能頭(m)。
　　1.2涵閘式出流
　　涵閘出流的水流條件受涵洞和上、下邊界影響。涵洞出水口通常為寬頂堰或平底閘。模型的出水口設(shè)為寬頂堰形式和平板閘門的組合，這種組合應(yīng)用普遍，對泄流能力進行研究具有較強的使用價值，實例采用非淹沒壓力流計算，其計算公式如下:
　　式中:Q-為涵閘流量(m3/s);M2-為涵閘流量系數(shù);R-為閘孔的水力半徑(m);g-為重力加速度(m/s);H0-場為計入行近流速水頭的上游能頭(m)。C-為謝才系數(shù);i-為洞底坡降;β2-為修正系數(shù);∑ε-為除出口損失系數(shù)以外的局部水頭損失總和。
　　2 常見低水頭消能建筑設(shè)計計算
　　消能設(shè)施能將下泄水流轉(zhuǎn)變?yōu)檎Ｆ骄彽乃鳎员ＷC建筑物的安全。為了解決底流式消能的防沖問題，國內(nèi)一般采用USBR-Ⅳ型、ISI型、SAF型和T型等消能堰型式來進行消能，設(shè)計這幾種堰型的具體尺寸都需計算出躍前收縮水深和躍后水深。因此必須先計算出泄水建筑物下泄水流的水躍
　　
　　泄水建筑物下游水流水躍示意圖
　　對于矩形斷面，收縮斷面水深可以采用下式進行計算:
　　
　　其中:T0為計入行近流速的上游水頭(m)，h1為收縮水深(m)，q為單寬流量， 為流量系數(shù)。由水躍的共扼水深計算公式可得
　　
　　其中:h2為躍后水深(m)，h1為收縮水深(m)，q為單寬流量(m2/s)。現(xiàn)將數(shù)值模擬中的幾種綜合式消能建筑設(shè)計計算方法介紹如下：
　　 2.1 USBR-Ⅳ型消力池
　　當水流的Fr較低時，由于水舌間歇地上下擺動會形成波浪，因此將對消力池提出減浪要求，USBR-Ⅳ型消力池就是針對這個特點設(shè)計的。包括以下內(nèi)容：
　　(1)導向墩:
　　加于陡坡末端的導向裝置(頂面略向下游傾斜的三角形齒坎)，利用這種裝置可以將一部分水舌自坎頂導出，射向漩滾底部以加強漩滾效果，減小水面波動，促成水躍穩(wěn)定，導向墩的尺寸確定如下:
　　墩高:a1=2h1墩寬:W1=(0.75-1.0)h1 間距:S1=2.5W1= (l.9-2.5)h1墩長:e≥1
　　墩頂面向下游傾斜5o。
　　(2)尾坎:
　　采用三角形差動齒坎，其布置尺寸如下:
　　齒坎高:a3=(0.08一0.37)h2，平均a3=0.2 h2 齒寬:W3=0.15h2間距:S3=0.15h2
　　2.2ISI型消力池
　　ISI型消力池是一種同樣適用于低佛氏數(shù)消能的有效方式，池長可縮短30%，能夠有效的提高效能率和消減躍后波浪。ISI型消力池的布置如下：
　　(1)導向墩:
　　墩高:a1=2hl墩寬:W1=0.90h1間距:S1= 2.20h1
　　(2)消力墩:
　　墩高:a2=h1墩寬:W2=h1間距:S2=h1
　　(3)消力池池長:
　　池長:L=4h2
　　(4) 尾坎:
　　采用三角形差動齒坎，其布置尺寸如下:
　　齒坎高:a3=(0.08一0.37)h2，平均a3=0.2 h2齒寬:W3=0.15h2間距:S3=0.15h2
　　2.3SAF型消力池
　　SAF型消力池可用于Fr=1.3-4.1的小型工程，其特點是池長可縮短70%以上，并且可有效的提高效能率，在美國中小型水利工程中被廣泛應(yīng)用。其布置形式如下：
　　(l)導向墩:加于陡坡末端，其尺寸為:
　　墩高:a1=h1墩寬:W1=0.75h1間距:S1=0.75h1
　　 (2)消力墩:
　　墩高:a2=h1墩寬:W2=0.75h1間距:S2=0.75h1
　　若消力池末端的寬度B2不等于消力池前端寬度B1，則其消力墩的墩寬及間距要乘以折算系數(shù)B2/B1，同時消力墩應(yīng)與導向墩交錯布置，其總寬度不應(yīng)小于所在斷面范圍池寬的40%，也不能大于55%，消力池與邊墻之間的距離不應(yīng)小于3h1/8，消力墩應(yīng)設(shè)在距分流墩1/3池長位置，以充分發(fā)揮其消能作用。
　　(3)消力池池長:
　　池長:
　　(4)尾坎:
　　采用矩形斷面，坎高a3= 0.07h2，試驗表明，這樣的坎高對于改善消力池下游的沖刷，具有較好效果。
　　2.4T型消力池
　　T型墩消力池具有縮短池長、降低池后水深、提高消能效率、消能效果穩(wěn)定、經(jīng)濟效益明顯以及適應(yīng)尾水較大變幅等優(yōu)點。T型墩消力池是平底消力池內(nèi)加設(shè)平面呈“T”字型且支墩與尾坎相連接的消能工具，以此形成強制水躍消能的消力池。
　　(1) T型墩尺寸:
　　試驗表明，T型墩的合理比例為:前墩厚:前墩高:前墩寬:尾坎高:支腿長=2:3:4:5:6，在工程中根據(jù)選定合理的比例系數(shù)就可以確定T型墩各尺寸。
　　(2)消力池池長及池深:、
　　消力池前墩距離墩趾的距離為0.8h2，至尾坎的距離為0.4一 0.5h2，池深d=1.05h2-h1，式中h1為下游水深。消力池長度約為1.3h2，較平底消力池長度縮短2/3。
　　3 消能率統(tǒng)計計算
　　根據(jù)模型來計算消能率，上游以進水口斷面為計算斷面，下游以水躍躍后斷面為計算斷面，水平方向的下游渠底為基準面，計算公式如下:
　　上游斷面水深h1為上游水位到閘底板高程。
　　斷面能量
　　下游斷面能量
　　則其消能率為: %
　　其中a1=a2=1.0，h1為上游計算斷面水深，h2是下游水躍躍后斷面水深，ν1、ν2分別為兩個斷面的平均流速。