浅谈水闸消力池深度与长度计算的影响因素

浅谈水闸消力池深度与长度计算的影响因素

王政华

王政华河源市水利水电勘测设计院广东河源517000

摘要:消力池是一种常见的消除动能方式，确定水闸消力池的深度和长度是消力池设计的重要环节。本文结合笔者多年的经验，通过对消力池水跃发生的形式和位置的探究，分析影响消力池深度和长度的因素，掌握池深和池长的计算特点，确保设计结果的合理性和准确性。供类似研究参考与借鉴。

关键词:水闸；消力池；深度；长度；计算

在水闸的设计中，水闸的消能是设计的重要组成部分。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。在消力池实际计算中,水闸消力池的池深和池长取决于水跃的形式以及位置，而水跃的形式及位置决定于闸下游尾水位h′s和h″c水跃的跃后水深的相对关系。因此,h′s和h″c的相对关系是影响消力池计算尺寸的主要因素。

1h″c-h′s对消力池深度计算的影响

我国现行部颁《设计规范》给出的计算消力池深度的方法,需先计算闸(坝)后的收缩断面水深ｈｃ、相应于ｈｃ的水跃共轭水深ｈ〃ｃ以及出水池落差ΔＺ,然后根据几何关系求出消力池深度ｄ。水流通过水闸下泄，在下游形成水跃，未设消力池时，会发生三种类型水跃即远驱式、临界式和淹没式水跃。从水工和消能的角度看，前两种水跃需要的护坦较长，且不稳定，因此，工程设计中，要求下游产生一定淹没程度的水跃，这样所需护坦较短，离建筑物较近，消能效果也较好。因此，消力池的设计深度是为了加大水闸下游水深，使水跃控制在紧靠建筑物之处，并形成淹没程度不大的水跃。

图1消力池深度计算示意图

由此可得:池内水深hT=Rj×h″c

水跃完全发生在池内，离开消力池的水流，由于竖向断面收缩，过水断面较小，动能增加，水面跌落一个$z值，

则由图1可知:hT=d+h′s+△z

△z的值较小，可略去不计得到粗略估算池深的近似公式:

d=Rj×h″c-h′s(1)

式中，d为消力池深，m;Rj为淹没系数;h″c为水跃跃后水深，m;h′s为下游尾水深，m;

由式(1)可以看出，池深随(h″c-h′s)的增大而增加。相当于(h″c-h′s)为最大时，求得的池深d为所需消力池的最大深度。那么实际计算中池深d和(h″c-h′s)的关系是否如此，我们再通过下面的例子进行分析。

某运河遇设计洪水300m3/s时，新建泄洪闸分流180m3/s。闸为3孔，每孔宽4.4m。下游河道的水位流量关系如表1所示。

表1水位流量关系表

2h′s/h″c对池长计算的影响

在水闸运行过程中，由于闸门开启度的变化，即流量的变化，下游尾水位h′s与跃后水深h″c之间也在不断发生变化，当h′s/h″c≤1时，将发生自由水跃，而h′s/h″c>1时，将发生淹没水跃，并且随着淹没程度的加大，淹没水跃的水跃长度也将大于自由水跃长度。而消力池长度决定于水跃长度Lj，但随过闸流量及上下游水位的变化，引起出流形式不断变化，导致闸后水跃形式发生变化，从而使水跃长度也在发生变化。那么水跃长度决定消力池的长度，水跃长度受水跃形式的影响，也就是说，h′s/h″c的大小影响消力池长度的设计。而实际我们计算时，容易忽略这一特点，直接套用规范中的公式。对于自由水跃和淹没水跃的水跃长度计算公式是不同的:自由水跃的长度，Lj=6.9(h″c-h′s)与规范相同;淹没水跃长度Lj=(4.9s+6.1)h″c，其中，淹没度s=(h′s-h″c)/h″c。以前面的计算为例，可以看到按两种方法计算所得的水跃长度，经过比较可以发现，经过辨别后，按水跃不同形式采用不同公式计算的水跃长度差值比较大，而且随着流量的增加，差值直线上升，这对于一个较大的工程来说是不容忽视的。

3池深、池长计算结果

计算消力池深和池长的计算结果如表2所示。

表2消力池池深、池长计算表

由表2中可以看出，d随(h″c-h′s)增大而变大，而(h″c-h′s)的最大值并不是流量的最大值，在实际设计中，容易忽略这一关系，根据最大单宽流量E=△Hq，习惯认为流量最大时，消力池深度最大，导致计算上的不准确。因为当流量增大时，下游水位也增大，此时上下游水位差并不是最大。所以，根据流量变化并不能直观的反应池深的变化规律。而将下游尾水位与跃后水深的相对大小(h″c-h′s)作为关键影响因素，可以更直接得到消力池深的设计值。

因此，计算时，我们可以利用这一特点，在给定的流量范围内对不同的流量计算h″c，并与对应流量下的下游尾水深h′s进行比较，选取(h″c-h′s)的最大值相应的流量，在此流量下计算消力池深为d的设计值。

4结束语

综上所述，确定水闸消力池的深度和长度是消力池设计的重要环节。由以上的设计计算表面，水跃的跃后水深和下游尾水位的相对关系对消力池池深、池长的计算有直接关系。

在消力池长度计算时，就应先进行水跃形式判断，然后根据水跃式的不同而采用不同的计算公式，使消力池长度计算准确。

参考文献

[1]潘世虎，水闸底流消能计算公式的分析和改进[J]，人民黄河，2012.04

[2]郭凤台；张晓峰；蔡晓磊，基于VBA的水闸消力池深度计算方法[J]，人民黄河，2009.06