内容发布更新时间 : 2024/5/8 6:24:52星期一 下面是文章的全部内容请认真阅读。

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对水闸消能防冲设计的探讨

对水闸消能防冲设计的探讨

摘要：水利工程中，水闸的应用较为广泛，在设计过程中，水闸工程的排水问题往往成为决定建筑物使用寿命的关键，本文就水闸下游底流式消能设计遇到的若干问题进行分析。

关键词: 水闸 水跃消能防冲设计 消力池淹没度 中图分类号：S611 文献标识码：A 文章编号： 前言

水闸泄水时，部分势能转化为动能，流速增大，对下游河床会产生强烈的冲刷，如不采取有效的措施，必将掏深河槽，甚至危及建筑物安全。因此，水闸下游水力设计的主要任务就是选择适当的消能措施，现在的水闸一般采用底流式消能，在消力池内产生水跃，使闸下急流转变为缓流，从而保证建筑物的安全。

一、选择下游消能防冲设计所对应的过闸水流形态

堰流和闸孔出流是两种不同的水流现象，但在同一个建筑物的运行过程中会相互交替出现。对于同一座水闸，当上游来水小于等于下游用水时，闸门提起，水闸不起控制作用，过闸水流为堰流流态；当上游来水较大，而下游需水量较小时，需要闸门控制过闸流量，这时的水流状态为闸孔出流。对于闸后消能防冲设计而言，过闸水流是堰流或是闸孔出流，不同主要反映在闸前水头上。就是说，当下游渠道都通过设计流量时，闸孔出流时的闸前水头要比堰流时的要高，水深要深，也就是消力池长度、深度计算公式中的“由消力池底板顶面算起的总势能To”大。从消力池计算公式上我们不难得出这样的结论：水闸在通过相同流量时，闸前水头越高，需要的消力池深度越深，长度越长。因此在设计时应首先判断最不利情况时的水流状态，究竟是堰流还是闸孔出流。只有分析清楚水闸运行的最不利工况，才能正确地计算出消力池需要的长度和深度。

二、 闸下尾水深度对消能防冲设计的影响

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根据水闸下游渠道水深(即闸下尾水深度)与跃后水深的相对大小，可以将水跃分为临界水跃、远驱式水跃和淹没水跃三种类别。临界水跃和远驱式水跃又统称为自由水跃，自由水跃消能效果较好，但水跃发生的位置距离水闸较远，防冲措施需要很长，工程投资大，不经济。为了使自由水跃变成具有一定淹没程度的淹没水跃，必须设法加大闸下尾水深度，使水跃在紧靠水闸处发生。《水闸设计规范》提供了下挖式消力池的设计方法，能够很好地解决闸后发生自由水跃情况时的消能防冲设计。《水闸设计规范》(SL265―2001)中对于闸后消能防冲布置做了如下说明：

水闸消能防冲布置应根据闸基地质情况、水力条件以及闸门控制运用方式等因素，进行综合分析确定。水闸闸下宜采用底流式消能。其消能设施的布置型式可按下列情况经技术经济比较后确定： 1)当闸下尾水深度小于跃后水深时，可采用下挖式消力池消能。消力池可采用斜坡面与闸底板相连接，斜坡面的坡度不宜陡于l：4。 2)当闸下尾水深度略小于跃后水深时，可采用突槛式消力池消能。

3)当闸下尾水深度远小于跃后水深，且计算消力池深度又较深时，可采用下挖式消力池与突槛式消力池相结合的综合式消力池消能。

4)当水闸上、下游水位差较大，且尾水深度较浅时，宜采用二级或多级消力池消能。并对于底流式消能型式给出了公式：消力池深度可按以下公式计算：

式中：为消力池深度(m)；为水跃淹没系数，可采用1.05―1.10； 为跃后水深(m)；为收缩水深(m)；为水流动能校正系数，可采用1.0―1.05；为过闸单宽流量(m2／s)；为消力池首端宽度(m)；为消力池末端宽度(m)；为由消力池底板顶面算起的总势能(m)；为出池落

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差(m)；为孔流流速系数，可采用0.95―1.0；为出池河床水深(m)。 消力池长度可按以下公式计算：

式中：为消力池长度(m)；为消力池斜坡段水平投影长度(m)；为水跃长度校正系数，可采用0.7―0.8；为水跃长度(m)。

以上公式为我们解决了“闸下尾水深度小于跃后水深”的情况。而在水闸设计中会经常遇到另外一种情况：当闸下尾水深度大于跃后水深，且计算出消力池深度又较浅时(在平原灌区渠系中的挡、泄水建筑物的闸前水深较小，上、下游水头差不大，多出现这种情况)，此时发生的水跃为淹没式水跃，如果我们还按上述公式计算，设计下挖式消力池深度和长度，就会使淹没水跃的淹没程度更大，成为波状水跃，向下游传播的很远，消能效率很差，对下游渠道冲刷严重。那么在这种情况下我们应该选用什么公式来计算消力池长度，选择什么型式的消能防冲措施呢?在王世夏教授编著的《水工设计的理论和方法》一书中，看到淹没水跃跃长公式应采用拉贾纳南的淹没水跃跃长经验公式来计算，其中为淹没度，，剩余符号同前。在这里不妨以某枢纽进水闸后消能防冲计算为例，用以上两种跃长公式分别进行计算，看有哪些区别。

某枢纽进水闸闸后放水渠设计为梯形断面土渠。对于消能防冲设计来说，最不利工况时的为3.3lm， (消力池首端宽度)为14m， (消力池末端宽度)为23 m，其它的设计参数：为糙率，土渠取0.025；为渠底纵坡，取1／lO 000；为渠道底宽，取23 m；为渠道边坡系数为2.75；为渠道设计流量取38m3／s。

表一 消力池设计参数计算表 (注：表中符号及单位同上) 试算

从上表中可以看出，在过闸流量较小时，闸下尾水深度，小于跃后水深，发生自由水跃。随着流量的加大，水跃位置也随着闸下尾水深度，的增加而向上游移动。当过闸流量增大到lOm3／s时，闸下尾