平原出海閘消力池設計深度的分析與研究

潘世虎

(上海市水利工程設計研究院有限公司，上海 200061)

平原出海閘由于陸地與海平相差不大，閘內外水位差一般不超過6～8m，水閘泄流時，內河水位一般在2～4m之間，外海水位在-2～4m之間，最適合的消能方式為底流式消力池消能；消力池設計需要確定的參數為消力池的深度與長度，長度與消力池深度直接相關，在深度確定后，長度就相應確定了，故消力池設計主要是確定消力池的深度參數。

根據現行規范[1]，消力深度與總能頭、下游水深和出池落差密切相關，而總能頭又與消力池深度相關；下游水深與外海潮位和下游海漫結構相關，在水深較淺時又與水閘泄洪流量相關；出池落差與消力池深度和過閘流量相關。

現行規范消力池深度計算公式如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中，d—消力池深度；hc、hc″—水躍躍前、躍后水深；q—過閘單寬流量；T0—消力底算起的閘前總能頭；△Z—出池水位落差；hs′—下游河床水深。

從計算公式可以看出，消力池深度與躍后水深、下游河床水深和出池水位落差相關。躍后水深與躍前水深和過閘單寬流量相關，躍后水深與躍前水深為一對共軛水深；躍前水深與總能頭和過閘單寬流量相關，且為一元三次方程的解，計算算時，需要多次試算，方能求出正確解；出池水位落差與過閘單寬流量、下游河床水深和躍后水深有關，從公式(4)可知，下游河床水深不應為0，而出海閘在泄洪時很可能遇見下游河床無水情況。

筆者根據多年計算經驗，總結消力池深度計算中存在以下幾個問題：①采用公式(3)，躍前水深由于初擬值不當，無法求出正確解；②可能出現躍后水深小于躍前水深現象；③下游河床水深較淺時，出池水位落差出現異常偏大；④下游無水時，由公式(4)無法推求出池水位落差。

下面就消力池深度計算中存在的上述問題，通過計算方法分析、計算公式改進，提出解決問題的方法和方案，并以上海市崇明區東平河出海閘為例，進行分析說明消力池深度的計算方法與過程。

1 消力池深度計算方法與改進

消力池計算過程一般如下：①根據上下游水位計算過閘流量，得出過閘單寬流量；②假定一個消力池深度，計算總能頭；③確定水躍躍前、躍后水深；④計算出池落差，從而得出消力池深度；若計算深度與假定深度不同，再假定消力池深度進行計算，直至計算值與假定值相同時，方為消力池的設計深度。

以下就現行規范計算中存在的問題，提出改進的方法和措施。

1.1 采用迭代公式求解躍前水深

(5)

這樣，在T0和β確定時，hc也就唯一確定了。采用公式(5)避免了計算中試算的繁復和可能出現的無解現象。

1.2 躍前水深、躍后水深確定

當采用公式(2)計算時，有時可能躍前水深大于躍后水深的現象，由于這兩組水深為共軛關系，故計算時可將其進行互換。

1.3 下游河床水深確定

消力池下游河床(消力池后海漫段)底坡一般為順坡或平坡，當為順坡時，坡度都較緩，一般緩于1∶10。下游河床水深，與閘下游水位、海漫頂高程及過閘流量相關。

(1)消力池下游河床為順坡時。當水閘下游河床水深較深時，大于河道過流正常水深(或臨界水深)時，下游河床水深采用實際河床水深；當下游水深小于河道過流正常水深(或臨界水深)時，采用河道正常過流水深(或臨界水深)。

(2)消力池下游河床為平坡時。當水閘下游河床水深較深時，大于河道臨界水深時，下游河床水深采用實際河床水深；當下游水深小于河道臨界水深或無水時，宜采用什么樣水深計算呢？

根據《水力計算手冊》[3]，對于棱柱形明槽恒定非均勻流，當下游河道為平坡時，水面線以臨界水面為界，要么位于②區，要么位于③區。當上游水位大于臨界水位時，水面呈下降曲線；當上游水位低于臨界水位時，水面呈上升曲線并發生水躍。故消力池后水面呈現為以臨界水面線為軸、多水躍逐降形式，如圖1所示。

圖1 消力池下游水流狀態示意圖

從圖1可以看出，當下游水位較低時，河床過度水面都在臨界水位以上，因此，平坡河床計算水深采用臨界水深是安全的，合理的。

1.4 出池落差計算公式改進

參照《水閘底流消能計算公式的分析與改進》[4]論文中出池落差改進公式，建議將公式(4)調整為公式(6)更為合理。

(6)

2 計算案例概況

東平河水閘位于上海市崇明縣東平河南端入海處，距河口500m左右，是崇明縣南沿一線大堤上14座沿江水閘之一，主要功能為擋潮、排澇和水資源調度。水閘為單孔塢式結構，閘孔凈寬14m，中型水閘，Ⅲ等1級水工建筑物，防洪標準為100年一遇高潮位加11級風浪。

河道河底高程為-0.5m，河底寬度20m，兩岸邊坡為1∶3。水閘由閘室、內外河消力池、內外河海漫和內外河翼墻組成，總體布置長度為189.0m，其中，內河防護段長76.0m，護底頂高程為-0.5m；閘室長17.0m，閘底板頂高程-0.5m；外河消能防沖段長96m，海漫為水平，底高程為-0.5m。

內河設計水位情況：規劃控制高水位3.75m，常水位2.5～2.8m，最低控制水位2.3m。外河設計特征水位：防洪設計高水位6.29m，平均高潮位3.37m，平均低潮位0.92m，設計最低潮位-0.28m。

根據上海地區經驗，消能設計工況及水位組合見表1。

表1 水閘消能計算水位組合表

表1中，當內河水位為3.75m時，外河水位可能為平均低潮位0.92m到3.75m間的任何水位；同樣，在內河水位為2.8m時，外河水位可能為設計最低水位-0.28m與2.8m之間任何水位。

3 消力池深度計算過程

以工況一演示消力池深度計算過程。綜上所述，東平河出海閘閘孔凈寬14m，閘門全開，內河水位為3.75m，外河水位為3.5～0.92m，外河水位以0.3～0.5m遞降計算。

第一步：計算確定過閘單寬流量。采用寬頂堰堰流公式進行計算，計算成果見表2。從表2可知，當下游水位高于3.0m時，水閘過流為淹沒堰流，低于3.0m時，為自由堰流，達水閘最大過流能力。

表2 水閘各種水位組合過閘單寬流量成果表

第二步：下游河床計算水深確定。水閘外河海漫為平底，其最低水深為臨界水深，經計算各流量臨界水深見表3，臨界水深與下游河道斷面和單寬流量相關。河床計算水深由臨界水深與實際水深取大值確定。

表3 河床計算水深成果表

第三步：初定消力池深度。消力池深度為0m，計算躍前、躍后水深，以躍后水深減去外河計算水深，差值做為消力池初始計算深度，若差值小于0，取為0。采用消力池初值輸入計算，可以更好的避免出池落差異常偏大的問題。消力池初深計算成果見表4。

表4 消力池初始深度成果表

第四步：試算確定消力池深度。以消力池初始深度為基準，考慮一定的水躍淹沒系數(取1.05)，計入出池落差，從而確定消力池計算深度，計算成果見表5。

表5 消力池計算深度成果表

第五步：確定設計消力池深度。從表4可知，當內河水位3.75m，外河水位不大于3.0m時，水閘過流達其極值，過閘單寬流量為14.10m2/s，下游水躍由淹沒水躍變為遠驅式水躍，需要設消力池進行消能，當下游水深低于臨界水深時，消力池設計深度最大，為1.70m，故消力池設計深度應采用1.70m。

4 結語

水閘消能計算是水閘設計的重要內容之一，其中，消力池深度選擇正確與否，直接關乎水閘運行安全和投資大小。本文分析了消力池深度設計中存在的系列問題，在現行規范計算公式的基礎上，通過對公式的合理轉換和修證，大大減少了計算繁復和不確定性，避免了設計者在消力池計算中出現失誤，對水閘消力池設計具有一定的指導作用。