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关于水闸闸后消能设计计算探讨 　　 摘要：水闸泄水时部分势能转为动能,流速增大,因此闸下冲刷是一个普遍且严重的问题,一般采用消力池消杀闸门出口处急流动能。闸下有害冲刷原因是多方面的,有的是设计不当,有的是运用管理不善,本文以实例就对消能设计条件、跃前水深、跃后水深、下游水深,以及他们之间相互关系从设计角度进行论述,使得水闸闸后消能设计计算更加贴近实际,解决问题。 　　关键词：消能池；设计条件；公式；临界水深 　　 水闸是低水头的泄水建筑物，一般采用底流式消能工。在消力池内产生水跃，使闸下急流转变为缓流，通过水跃消耗的能量尽与跃前断面的能量Ei之比，称为水跃消能率。跃前断面的弗汝德数愈大，则消能率愈高。当Fr1在10～40间，则Ej/Ei为28%～59%，低水头的水闸，由于Fr1较小，故水闸的消能率一般较低。针对消能工设计条件及下游水深hs，对消力池及海漫的影响作些探讨。 　　1水闸消能工控制条件及消能不利原因 　　 依据一些水闸的实际运行工况及消能工破坏实例分析，水闸消能工设计的控制条件，往往不一定是以泄设计洪水时为最不利工况，而且，不同类型的水闸的消能设计条件也不相同。故在消能工的设计中，除需要考虑上下游水位、过闸流量、闸门启闭的组合程序等因素外，还必须做大量的分析工作，以确定消能工设计的最不利组合，设计中切不可简单地加以假定。笔者通过对一些消力池水力状况恶劣的水闸的观察分析，总结出消力池计算深度过深或形成不了淹没水跃，消能率较低的主要原因为:①由于受上游洪水流量和下游潮位不断变化的影响，过闸水流的水位、流量及流速均在不断变化，设计者计算时未能加以――分析，而是简单地定了一个上下游水位;②下游水位很低时，未能结合对下游水面曲线的分析，考虑对闸门的开度、启闭顺序进行控制或设置多级消力池;③未能结合设置一些消力墩等辅助消能工，促使水跃的发生。 　　2在不同下游水位情况下的消能防冲设计 　　2.1下游水深hs＜hk(临界水深) 　　 消力池出口处水深应按宽顶堰自由出流公式计算。根据一定的闸下排出流量，即可按此式计算出H0，并扣去行进流速水头，这样，即??求出消力池末端水深，此值与从hc对比，即为淹没系数δ，要求δ值在1.05～1.1之间。如果不合，可以调整消力池开挖深度，使之基本吻合。 　　 以上的计算仅表示池内水深已经淹没。急流动能亦有所消减，但是水流出池后，仍又能对下游海漫造成很大冲刷，严重影响闸室安全。所以还需计算水面下降曲线，使水流出池后能与下游水面平稳连接，进一步消除急流动能。由于海漫一般都设计成1:10或1:20的陡坡，并在其前设置＞５m的水平调整蔗理论上一般认为在平坡与陡坡交界处的水深为hk。因而，可根据已知的Qmax及hk值，向下推算海漫水面曲线。这是一条标准的M2型降水曲线，愈向下水深愈小，最后接近正常水深h0，流速变缓。 　　2.2下游水深hk＜hs＜0.8H0 　　 下游水深对出流没有影响，故池内淹没情况仍可按宽顶堰自由出流公式计算。对于水平调整后的水深可按hs计算，由于愈向下游流速愈小，对海漫的冲刷亦愈小。但对于海漫末端的防冲槽，由于关系到河道的冲刷安全，必须精心设计和施工。 　　2.3下游水深hs＞0.8H0 　　 消力池出口为淹没流。由于下游水位抬高，消力池出口处的水深亦相应增加，因而在保证相同淹没系数情况下，消力池可以开挖得稍浅一些。 　　3实例介绍 　　 为进一步分析消能防冲设施，以实例进行细致探讨，设定某闸为2m×4m，上游水位3.40m，下游水位1.5m,该闸底板高程1.0m，初步拟定的消能防冲结构见图1。 　　 　　3.1求过闸流量Q 　　 按宽顶堰自由出流公式计算:参数选取e(侧收缩系数)＝0.95, H0≈H＝2.4m, B＝8m, m＝0.385(当槛高P＝0时) 　　 求得:Q＝0.95×0.385×8×4.429×2.41.5＝48.18m3/s 　　3.2求第1共轭水深hc和第2共轭水深hc 　　 E0＝hc+q2/2gΦ2 hc2 ,假定消力池池深1.2m，则池底高程-0.2m，故E0＝3.40+0.2＝3.60m 　　 出口处B＝2×4+1＝9m，单宽流量q二48.18/9＝5.353 m2/s 　　 Φ＝0.95,g＝9.81(常数)，把以上数字代入公式，通过试算可求出hc＝0.754m，再代入求hc的公式中，得hc＝2.432m 　　3.3求消力池出口的水深 　　 先求hk 　　 B＝9+2×L7×tg8o＝13.78m, q＝48.18/13.78＝3.496m3/s,hk＝(q2/g)1/3 　　 计算求得hk＝1.076m 　　 由于下游水深为0.5m＜hk，故出口处可按宽顶堰自由出流公式计算H0 　　 H0