平原地區中小型涵閘下游消能工計算中的問題初探

張若玉

（安徽省大禹水利工程科技有限公司 蚌埠 233000）

現設計工程消能工型式大多采用綜合式消力池，綜合式消力池是一種常用的既有挖深又筑有低坎的消力池型式，具有挖深式和尾坎式消力池的優點，本文就綜合式消力池設計中的有關問題作探討。

1 消能控制條件的確定

1.1 消力池末端水深hs

在惡劣放水時，涵閘上游水位是確定的，下游水深隨下泄流量而變化，計算hs時分為兩種情況：（1）涵閘下游河道較長，即消力池末端距下一級建筑物或河口較遠，hs應由下游河道斷面按明渠均勻流確定其水位流量關系，即取hs=h0（h0為明渠均勻流正常水深）；（2）下流河道較短，即消力池末端距控制斷面或河口較近，應以控制斷面或天然河道口處水位為控制水位，通過推求水面曲線的方法確定hs。由于河道的實際比降一般皆小于臨界比降，故下游河道中形成b1型降水水面曲線。當控制水深大于臨界水深hs時，取控制水深向上游推算hk，當控制水深小于hk時，取hk向上游推算hs。

1.2 消能控制條件

在惡劣放水時，最大下泄流量往往并非消能控制流量，三孔及三孔以上涵閘往往出現該情況，這就需要計算開啟不同孔數、不同開度下一系列（hc"-hs）值，計算時初取池深為零，在所選開啟孔數下，每給一個開度e，利用閘孔出流公式求出一個下泄流量，繼而求出躍前水深hc，躍后水深hc"及hs，相應得到（hc"-hs），該值出現最大值時的開啟孔數及開度即為消能控制條件。

閘門的開啟方案與消能防沖設施的設計既相互聯系，又相互制約。在滿足安全泄流的條件下，既要便于運用管理，又要節省投資。從節約投資看，消力池要做得淺一些和短一些，但如下泄小流量也要求所有閘門齊步均勻開啟，就會給涵閘運用管理帶來困難。在實際運用中，閘門操作常受啟閉設備性能、管理操作人員水平及工作條件的限制，并不都能做到各孔閘門均勻齊步開啟。另一方面，如果在任意閘門開度和孔數條件下（如多孔涵閘在較低泄流尾水位時開啟較少孔數）都要求下泄水流在池中形成淹沒水躍，將大大提高消力池及下游防護工程造價。因此，在進行消能工設計時，必須結合閘門運用管理方案一并考慮，合理地規定啟閉組合方式和操作程序，既要給管理人員留有一定的選擇余地，也不要人為地給消能設施造成不必要的浪費。中、小型涵閘原則上應最先開啟中間閘孔，然后對稱、間隔地按同一開度，逐次開啟兩側的閘孔，待全部閘門開至同一開度后，再按同樣方法，開啟下一檔高度。

1.3 單寬流量的選定

在消能計算中，收縮斷面處單寬流量q，直接影響到池深、池長及坎高的計算結果。由于涵閘一般為低水頭建筑物，池深一般在1.0～3.0m，且與閘身之間的連接直接采用斜坡段連接。由于水躍的起點控制在斜坡段坡腳處，q 也即坡腳處的單寬流量，因水流流經此處時已有擴散，q 的確定就主要取決于該處過水斷面寬度B。

B=kb+（k-1）δ

式中：

b—單孔寬度；

δ—中墩厚度；

k—全部孔數；

B—消力始端過水寬度。

上述計算因對水流擴散性能難以作準確的考慮，結果較為粗略。

實驗表明，消力池中水流速較大，擴散較小，當下游翼墻擴散角θ 較大時（如大于10°），擴散段中水流就有可能擴散不佳，致使側壁處產生回流從而迫使水流折沖側壁形成折沖水流，筆者認為水流在池中的擴散以按7°～10°考慮為妥，根據初步估算的池深，定出斜坡段長度Ls，則B=kb+（k-1）δ+2Lstgθ。由于水流在擴散時受到兩側翼墻的邊界約束作用，計算中按下游翼墻擴散角取用θ 值。

在計算消力池過坎落差及坎高時，要用到水流經坎頂處的單寬流量q，確定此處過水斷面寬度，亦可按上述B 的算法類似考慮。

1.4 閘門初始開度e0 確定

除了最大下泄流量或中間某一流量控制池深外，e0往往也是確定池深的控制因素。尤其在涵閘下游為明渠均勻流的情況下，隨著開度e 的加大，下游水深隨之加大，極易滿足淹沒條件，此時消能控制條件直接取決于e0；一般情況下，當閘門開度e0＜0.1H0（H0為門前總水頭），門體易發生振動，故應使e0≥0.1H0；當閘門開度為門前（0.45～0.5）H0時，門前將出現劇烈的立軸漩渦和吸氣漏斗，出閘水流不穩定，也容易引起門體振動；在開啟閘門時，一定要避免上述兩種情況。

2 消力坎高c 及池深d 的確定

綜合式消力池的計算可分兩步進行，先按0.1～0.3 倍的下游水深擬定坎高，然后再按挖深式消力池的計算確定消力池的深度。

2.1 消力坎高c 的確定

消能控制條件確定后，控制流量及消力坎處相應單寬流量q 已知，將所選用的坎后水深hc"作為坎后水躍的躍后水深，可求出坎后收縮斷面水深、坎頂及坎前總水頭，相應便能確定出c 值。采用時應把求得的c 值稍降低一下，以使坎后水躍處于淹沒狀態。

設計的消力池坎高，應盡可能滿足以下兩個要求，一是坎頂下游水深與上游壅高水深的比值≤0.85～0.9，使坎后形成較為平順的水面銜接；二是坎頂高出閘室堰頂的數值，宜控制在0.05 倍閘上游水位以內，以免影響水閘的泄水能力。

2.2 消力池池深d 的確定

由于在開門過程中過閘流量是隨時變化的，下游河道中流屬于非穩定流，而hs的確定是以穩定流為前提的，與實際情況有所差別。為安全起見，閘下水位hs可考慮回水滯后因素影響，取前一檔開度下的hs來計算較穩妥。

消力池池深d 應滿足下列條件（圖1）：

圖1 消力池深度計算示意圖

式中：

d—消力池深度；

σ0—水躍淹沒系數，可采用1.05～1.1；

hc—收縮水深；

hc" —躍后水深；

a—水流動能校正系數，可采用1.0～1.05；

q—過閘單寬流量；

b1—消力池首端寬度；

b2—消力池末端寬度；

T0—消力池底板頂面算起的總勢能；

△z—出池落差；

hs—出池河床水深；

φ—流速系數，一般取0.95。

分析以上公式可見，變量d、hc、hc"、△z 之間彼此耦合嵌套，難以分離，具體計算為當坎高確定后，池深d 可采用試算法求出；初次試算時可按d1=σ0hc"-hs擬定，其中hc"是未設消力池前的躍后水深。求得d1值后，先算出設池以后的T0、hc"及△z 諸值，再代入公式（1），反算水躍淹沒系數σ0，如能滿足σ0=1.05～1.1 的條件，說明池中水躍稍有淹沒，池深合理，否則還應繼續進行試算，直到滿足條件為止。

3 實例說明

某3 孔閘，單孔寬度3.0m，中墩厚0.8m，消力池首端寬度b1為10.6m，末端寬度b2為15m，下游河道底寬15m、比降1/5000，閘址距河口5km，惡劣放水時閘上水深3.5m，上下游河底高差0.25m，閘下水深0.5m，最大下泄流量98.25m3/s，其消能控制運用條件確定如下。

3.1 閘門開度與池深關系確定

為避免閘門因開度過小而振動及閘前出現漩渦、漏斗，取初始開度0.4m，略大于0.1H0=0.36m，最大開度1.5m，略小于0.45H0=1.60m。由于消力池末端距河口很遠，計算時取h0=hs（正常水深），σ0取1.05。初始池深為零時的計算結果如表1（僅列出有代表意義的）所示。

表1 不同開度及閘孔開啟數對應表

在開啟兩孔或三孔時，初始開度為0.4m，此時（σ0hc"-hs）較小；然而開啟一孔時，隨著開度的增加，（σ0hc"-hs）隨之增大，當e=1.1m 時，（σ0hc" -hs）達到最大值0.67m，再增大開度，（σ0hc" -hs）隨之又下降，若以初始開度e0為控制，所需池深較小，但在開啟一孔，開度較大的條件下卻不能產生淹沒式水躍；從安全考慮、以開啟一孔下產生（hc"-hs）最大值時作為控制條件，所求池深能夠滿足任何開啟孔數下都能產生淹沒式水躍，且池深又不很大。

3.2 消力坎高c 及池深d 的確定

按上述計算原則，該例坎高設計0.15m ,經核算不影響水閘的泄流能力、且hn/H1=0.85，坎后流態亦較平順，說明坎高確定是合理的。

本著安全運行、降低工程造價、不浪費的原則，對于本例設計以開一孔開度e 為1.1m 作為控制條件求池深，初步擬定池深為0.6m，利用前述公式（2）、（3）、（4），通過試算求得hc"=1.38m，△z=0.075m；為安全起見，閘下水位hs可考慮回水滯后因素影響，取前一檔開度下的hs來計算，這樣比較穩妥。計算如下：

σ0=（d+hs+△z）/hc"=（0.6+0.78+0.075）/1.38=1.06

滿足σ0=1.05～1.1 的條件，池深設計合理。

3.3 關于池長計算的問題

水躍長度Lj=6.9（hc" -hc）

消力池長度Lsj=Ls+β·Lj

式中：

Lsj—消力池斜坡段投影長度；

β—水躍長度校正系數，β=0.7～0.8。

由以上兩式可見，決定池長的因素為（hc"-hc），而決定池深的因素為（hc"-hs），兩者并不取決于同一條件。有人用控制池深的條件（hc"-hs）值來求池長，往往容易混淆概念，尤其是閘門初始開度或較小流量控制池深時，這樣計算將出現較大誤差，隨著閘門的開度增大，單寬流量亦增大，（hc"-hc）也隨之增大，即控制池長的條件為閘門的最大開度。對于多孔涵閘，在開起時最大開度又受最大流量的限制，故開啟不同的孔數時所受的限制最大開度是不一樣的，應取各種孔數開啟時的最大開度來計算（hc"-hc），從而求出池長。

以上例某三孔閘來說明，該閘一孔時最大開度較小不控制池長，池深最終確定為0.6m，在該池深下惡劣放水時計算結果如表2 所示。

表2 不同閘門開度條件下計算結果表

由表2 可知，控制池長的條件為三孔時最大開度emax=1.5m，與池深控制條件（開啟一孔開度e = 1.1m）并不一致。

4 結論

平原地區中小型涵閘下游消能工的控制條件主要受閘門開度、單寬流量及下游河道條件等因素影響。本文通過實例介紹，給出一些分析條件,對綜合式消力池計算問題進行了探討，對各種條件下的水閘消能工確定具有一定參考意義■