水閘工程設計中消能工計算問題探討

李建國，賈冬梅

（1.安徽省水利部淮委水利科學研究院，安徽 合肥 230088；2.河海大學水文水資源學院，江蘇 南京 210098）

水閘作為一種低水頭泄水建筑物，被廣泛應用于河道、水庫、灌區等大中型水利工程樞紐。其中，消能防沖設施作為水閘工程的重要組成部分，對于保障水閘工程的安全運行具有重要意義。根據水工模型試驗，利用消力池的水躍消能方式通常可消減過閘水流全部動能的40%～70%[1]，因此消力池在平原河網、水庫及灌區工程中應用十分廣泛。

盡管消力池的消能效果十分顯著，然而在水工設計中消力池的計算卻并不簡單，《水閘設計規范》（SL265-2016）給出了消力池深度計算公式，但仔細分析下面公式不難發現，變量 d、hc、h”c、△Z 之間彼此耦合嵌套，難以分離，這給消能工計算帶來極大困難。

1 消能工計算參數

1.1 下游水深hs

hs值取決于河床的水力特性，由于水閘下游河道通常較長，在下游水深計算中可不考慮下游蓄水建筑物對下游尾水水深的影響，按照明渠均勻流計算下游水位～流量關系，從而得到消力池末端河床水位。

1.2 由消力池底板頂面算起的總勢能T0

T0表示從消力池底板頂面算起的總勢能，根據閘前過水斷面和收縮斷面能量方程，，由消力池底板開始算起的總勢能包括位置水頭、壓強水頭、行進流速水頭，其中水面與大氣接觸位置可認為相對壓強為0，故，H為從鋪蓋底板算起的閘前水深。

1.3 臨界水躍的躍后水深h”c

消力池中的臨界水躍躍后水深h”c，可根據挖池后的收縮斷面水深hc用水躍共軛水深的公式求得。但困難的是hc是根據挖池后的總水頭T0求得的，而，這樣就無法直接求得d值，而要用試算法進行求解[2]。

2 消能工計算程序

在明確消能工主要計算參數的基礎上，進一步分析提煉消能工計算程序，具體計算程序如下：首先，假定收縮斷面水深hc為已知，在此基礎上根據式1.2可計算得到躍后水深h”c，根據下游河床斷面尺寸利用明渠均勻流公式推求下游河床水深H和對應流量Q的相關關系，進而可得出不同下泄流量所對應的出池河床水深hs。至此，出池落差△Z值便可計算求得。在此基礎上將躍后水深h”c、出池河床水深hs及出池落差△Z帶入式（1），即可求得消力池計算深度d，然而d的取值是否合理必須加以判斷，判斷依據就是將計算得到的d代入式（3），判斷等式左邊是否為0，若滿足則此時消力池計算深度d為正確解，若不滿足條件，需重新對hc進行賦值，直到滿足條件為止。在整個計算過程中為簡化計算，提高迭代試算效率，可借助Excel進行公式編輯，從而快速得到消力池深度d的最優解。整個消力池計算流程如圖1所示。

3 實例研究

3.1 工程概況

圖1 水閘消能工計算流程圖

某平原地區現有5孔節制閘一座，閘身為漿砌石結構。工程規模為中型，工程等別為Ⅲ等，單孔凈寬4m，經復核，最大過閘流量為124m3/s。閘上游設計洪水位35.61m，相應下游水位35.51m。閘底板高程33m，閘底板高程32.1m，水閘下游河床為梯形斷面，底寬24m，河岸邊坡1∶2。

3.2 閘門開啟度及孔數的確定

同一類型的閘門在運用時，不同的開啟程序和不同的開啟度對消能工設計要求也不一樣。確定消力池深度時，閘門的初始開啟高度往往是重要控制因素。根據已有研究成果，閘門初始開啟高度一般取0.2～0.5m[3、4]，本項目中設計工況下閘門開啟高度在0～1.7m之間為孔流，因此取閘門初始開啟高度為0.2m，按每一開啟高度增加0.2m直至閘門不阻水或下泄流量滿足最大過閘流量為止。

按照水閘運行管理相關規定，對多孔水閘來說，一般先開啟中間孔，然后對稱開啟后啟孔[5]。本文以1孔、3孔、5孔同步分檔開啟進行研究，但考慮到文章篇幅限制，且不同開啟方案計算過程相近，故本文只以5孔同步分檔開啟為例進行討論。

3.3 結果討論

根據閘門不同開啟度計算閘孔過流能力，計算公式，結合下游河床斷面尺寸，采用明渠均勻流公式試算下游河道水深h’s，計算結果見表1。根據圖1所示消力池計算流程，輸入hc進行試算，使得等式1.3右邊無限接近于0，此時迭代結束，計算結果見表2。

由圖2不同開度下水閘出水池河床水深hs及躍后水深h”c不難看出，設計工況下，隨著閘門開度的增大，出水池河床水深hs及躍后水深h”c呈逐漸增大的趨勢，但總體上出水池河床水深hs大于躍后水深h”c，表現為出池落差△Z＜0，此時在消力池內將發生淹沒水躍，理論上來講，不需要設置消力池，而消力池計算深度d在不同開度下均表現為負值，也進一步表明設計工況下不需要設消力池。由于本項目主要是對水閘進行安全鑒定評價，因此綜合評價結論為：該閘消能防沖滿足規范要求。

水閘下游河床水深～流量試算表 表1

水閘消力池深度計算表 表2

圖2 不同開度下水閘出池水深hs及躍后水深h”c

4 結論

本文通過對水閘設計中消力池計算問題進行探討，梳理了公式中不同計算參數的確定方法，提出了一套系統的消力池計算流程，并以平原區某節制閘為例，在合理確定閘門開啟度的基礎上，分析計算了所需消力池深度。結果表明：不同開啟度下，下游河床出水池水深均大于躍后水深，即出池落差△Z＜0，此時消力池計算深度d＜0，消力池內將發生淹沒水躍，不需要設置消力池即能滿足水閘消能防沖要求。