关于水闸消力池深度计算的探讨

2011-04-17赵斌

中国水能及电气化 2011年6期

赵斌

（河北省水利水电第二勘测设计研究院，石家庄 050021）

消力池是常用的消能工之一，确定池深度是消力池设计的重要内容，在《水闸设计规范》推荐的消能公式中，消力池下游水深是个重要参数，其对于消力池深度计算影响较大。对于无闸门控制的溢流堰，一般上、下游水位变化较缓慢，随流量的增加下游水位也基本同步上升，按上述公式计算的成果一般是能够满足工程需要的。而对于有闸门控制的建筑物，在闸门开启过程中，下泄流量逐渐加大，下游渠（河）道内形成洪水波向前推进，水位不能随流量的增加而同步上升，出现滞后的现象。为了考虑这种影响，目前工程中常将闸门开度分成几个档次（一般以0.5m为一档），计算时将与上一档次泄量相应的水深作为下游水深。然而，有时对于不同的水闸，这种方法所得的结果未必偏于安全。本文将分析下游水深取值对消力池深度计算的影响，为了保证工程安全，对消力池设计提出了建议。

1 计算公式

《水闸设计规范》（SL265-2001）附录B推荐的消力池深度计算公式（简称消能公式）为：

其中：d——消力池深度（m）；

σ0——水跃淹没系数，可采用1.05～1.10；

ht——消力池下游水深（m）；

△Z——出池落差（m）；

hc——收缩水深（m）；

b1——消力池首端宽度（m）；

b2——消力池末端宽度（m）；

T0——由消力池底板顶面算起的总势能（m）；

q——单宽流量（m3/s/m）。

2 算例与分析

某排水闸孔口尺寸5.5m，闸前设计水深6.4m，消力池为矩形断面，水平段宽7.5m，消力池后有约50m长的泄水渠与主河道连接，河道常年无水。泄水渠过水断面为梯形，底宽7.5m，纵坡1/2000，采用浆砌石衬砌，末端与河槽底高程相同。试通过水力计算确定消力池深度。

由于排水渠较短，不能形成明渠均匀流，因此消力池下游水深由退水渠末端向上游推水面线得到。

消力池下游水深与流量关系见表1，计算过程从略。

闸门开度按0.5m为一档次，分别按 “消能公式”计算不同开度时所需要的消力池深度，选用其中的最大值作为最终结果。下面分别按两种不同方法进行计算，并将计算成果列于表2和表3中。

方法一：将与上一档次泄量相应的水深作为下游水深。

方法二：将同一档次泄量相应的水深作为下游水深。

一般的，对于同一水闸，当上游水头、过闸单宽流量等基本条件一定时，下游水深越深越容易形成淹没水跃，所计算的消力池越浅。但从表2、3的计算结果可以看出，当考虑下游水深滞后影响，采用与上一档泄量相应的水深作为下游水深时，消力池深度反而比按同一档泄量相应的下游水深计算值小。表4所列为消力池末端每一档开度的流量所对应的临界水深。

经比较可以看出，方法一所采用下游水深均小于计算泄量相应的临界水深，即上一档的水深小于本档的临界水深。在单级消力池设计中，一般不应使出池水流为急流，即采用 “消能公式”进行池深计算，下游水深不应小于临界水深。本例中，正是因为采用小于临界水深数值作为下游水深，才使得消力池计算深度偏浅。

通过上述算例分析，本文对于水闸消力池设计提出以下建议：

（1）在进行水闸消力池深度计算时，若考虑下游水位上升滞后现象，将与上一档次泄量相应的水深作为下游水深，应参照闸门调度方案，根据实际情况确定下游水位泄量关系，并验算各档泄量出池临界水深，分析下游水深的选取是否合理。

（2）在工程布置上，应保证消力池中产生一定淹没度的水跃。当下游水深较浅时，应充分考虑消力池下游的防冲措施。若经验算下游可能出现远趋式水跃，应考虑设多级消力池或采取其它工程措施，避免冲刷破坏。

3 结论

通过对消力池深度计算公式进行分析不难看出，若上游水头、过闸单宽流量等基本条件一定，当下游水深大于临界水深时，消力池计算深度随下游水深的减小递增；当下游水深小于临界水深时，消力池计算深度随下游水深的减小递减。即，当下游水深为临界水深时，消力池深度达到最大值。因此，人为的选取下游水深，有可能使计算结果偏于不安全。对于不同的下游边界条件，应具体问题具体分析。