渠系水閘下游消能-W型消力檻

□朱穎放 □楊長庚 □盧 瑕（河南省水利勘測設計研究有限公司）

1 渠系水閘下游消能情況

渠系水閘閘室與消力池連接處出現邊界突變的尖角點，由于水流質點具有維持原來運動方向前進趨勢的慣性作用，不能沿著突變的邊界作急劇的轉折運動，因而從閘室末端的邊界突變點開始，水流脫離邊界運動在梯形斷面消力池的邊坡上形成旋渦，從而壓縮主流，形成了類似收縮段的水流流態，使高速水流較難擴散、消能，將給下游渠道帶來較嚴重的沖刷。在普通消力池底板上修建一道W 型消力檻，是一種結構簡單、效果顯著的消能工，能夠較好的解決水流平面擴散問題。

2 W型消力檻

對于閘室出口為直角形翼墻與梯形斷面消力池相連接的布置型式，若仍采用修常規底流消力池的方式消能，雖然能夠在鉛直平面內強迫水流發生水躍，消除一定的過閘水流動能，但是并沒有解決水流的平面擴散問題，仍然在閘下出現折沖水流，使出消力池的水流仍然具有較大的余能，在下游相當長的渠段內底部流速仍大于渠道不沖流速，需要對下游渠道進行護砌。

旋渦的產生是水流邊界層脫離固體邊界所造成的。對于這種布置型式，若在閘室下游修建合適的消能工—W 型消力檻，使消力池兩側邊坡部位的旋渦減弱、減小，從而達到消除折沖水流、改善下游水流流態的目的。

2.1 W型消力檻消能原理

閘室出口的水流與明渠均勻流不同，其最大流速分布不是在上層，而是靠近底部。W型消力檻對閘下水流流態的改變可以從鉛直面和水平面上分別加以分析。

2.1.1 鉛直面

底部高速水流遇到W檻后，向上轉折，加速水流的紊亂，水流流速梯度變小（即流速分布趨于均勻），平均流速減小，消除了過閘水流的部分動能。

2.1.2 水平面

出閘室水流的主流在渠道中間，W 檻的中間檻起到分流墩的作用，使主流向兩側分離。W檻檻面與水流方向成450°角，當水流撞擊W 檻后將發生900°轉折，相互碰撞，由于中間流速高于兩側流速，主流在垂直水流方向上往兩側擴散，主流區變寬，流速迅速降低，邊界層厚度增加，使得邊界層外層（即旋渦區）范圍減小（見圖1）。使閘下水流流速降低到允許流速以內，避免了渠道沖刷。

圖1

2.2 W型消力檻在工程中的應用

在工程建設中，對W 型消力檻的位置、高度和寬度做了一些實踐和研究。

W 檻的位置若太靠近閘室，達不到擴散水流的目的，仍將在下游出現折沖水流，若離閘室過遠，勢必增加工程數量，合適的W檻位置距閘室1～1.50倍的下游渠道水深；消力檻的高度以1/3的下游渠道水深為宜，檻過低不能折擋底部高速主流，檻過高則降低水閘的過流能力；消力檻的寬度與閘室同寬為宜。

以前曾在一些灌區工程中應用了這種消能型式，整個消能護砌段長度約為4～5倍的下游渠道水深，比一般消力池縮短了一半以上。從工程運行的情況來看，下游一般沒有發生沖刷，即使發生沖刷，沖刷坑也很淺，而且對稱。所以W型消力檻在解決渠系水閘的下游消能問題中是比較成功的。

3 結語

低水頭、小流量水閘與下游梯形斷面消力池采用直角形翼墻連接結合W 型消力檻消能，與常規底流消力池相比，不但施工簡便，可以大大節約工程量，而且消能效果顯著。因此這種消能布置型式在灌溉渠系上還是值得大力推廣的。