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摘要：消能防沖設(shè)施作為水工建筑的重要組成部分，其重要性不言而喻。然而在消能工設(shè)計中由于各參數(shù)間存在耦合嵌套關(guān)系，致使變量分離難度較大，給結(jié)構(gòu)計算帶來較大困難。為解決好這一問題，文章首先對消能工計算中各參數(shù)的物理意義、確定方法等進行梳理，在此基礎(chǔ)上提出一套系統(tǒng)的消能工計算程序，并以平原區(qū)某水閘為例，對消能工計算進行實證分析，所得研究成果對于國內(nèi)同行進行水閘工程設(shè)計具有一定借鑒意義。

關(guān)鍵詞：水閘；消能防沖；水躍；消力池深

水閘作為一種低水頭泄水建筑物，被廣泛應(yīng)用于河道、水庫、灌區(qū)等大中型水利工程樞紐。其中，消能防沖設(shè)施作為水閘工程的重要組成部分，對于保障水閘工程的安全運行具有重要意義。根據(jù)水工模型試驗，利用消力池的水躍消能方式通常可消減過閘水流全部動能的40%~70%[1]，因此消力池在平原河網(wǎng)、水庫及灌區(qū)工程中應(yīng)用十分廣泛。盡管消力池的消能效果十分顯著，然而在水工設(shè)計中消力池的計算卻并不簡單，《水閘設(shè)計規(guī)范》（SL265-2016）給出了消力池深度計算公式，但仔細(xì)分析下面公式不難發(fā)現(xiàn)，變量d、hc、h”c、△Z之間彼此耦合嵌套，難以分離，這給消能工計算帶來極大困難。

1消能工計算參數(shù)

1.1下游水深hs

hs值取決于河床的水力特性，由于水閘下游河道通常較長，在下游水深計算中可不考慮下游蓄水建筑物對下游尾水水深的影響，按照明渠均勻流計算下游水位~流量關(guān)系，從而得到消力池末端河床水位。

2消能工計算程序

在明確消能工主要計算參數(shù)的基礎(chǔ)上，進一步分析提煉消能工計算程序，具體計算程序如下：首先，假定收縮斷面水深hc為已知，在此基礎(chǔ)上根據(jù)式1.2可計算得到躍后水深h”c，根據(jù)下游河床斷面尺寸利用明渠均勻流公式推求下游河床水深H和對應(yīng)流量Q的相關(guān)關(guān)系，進而可得出不同下泄流量所對應(yīng)的出池河床水深hs。至此，出池落差△Z值便可計算求得。在此基礎(chǔ)上將躍后水深h”c、出池河床水深hs及出池落差△Z帶入式（1），即可求得消力池計算深度d，然而d的取值是否合理必須加以判斷，判斷依據(jù)就是將計算得到的d代入式（3），判斷等式左邊是否為0，若滿足則此時消力池計算深度d為正確解，若不滿足條件，需重新對hc進行賦值，直到滿足條件為止。在整個計算過程中為簡化計算，提高迭代試算效率，可借助Excel進行公式編輯，從而快速得到消力池深度d的最優(yōu)解。整個消力池計算流程如圖1所示。

3實例研究

3.1工程概況

某平原地區(qū)現(xiàn)有5孔節(jié)制閘一座，閘身為漿砌石結(jié)構(gòu)。工程規(guī)模為中型，工程等別為Ⅲ等，單孔凈寬4m，經(jīng)復(fù)核，最大過閘流量為124m3/s。閘上游設(shè)計洪水位35.61m，相應(yīng)下游水位35.51m。閘底板高程33m，閘底板高程32.1m，水閘下游河床為梯形斷面，底寬24m，河岸邊坡1∶2。

3.2閘門開啟度及孔數(shù)的確定

同一類型的閘門在運用時，不同的開啟程序和不同的開啟度對消能工設(shè)計要求也不一樣。確定消力池深度時，閘門的初始開啟高度往往是重要控制因素。根據(jù)已有研究成果，閘門初始開啟高度一般取0.2~0.5m[3、4]，本項目中設(shè)計工況下閘門開啟高度在0~1.7m之間為孔流，因此取閘門初始開啟高度為0.2m，按每一開啟高度增加0.2m直至閘門不阻水或下泄流量滿足最大過閘流量為止。按照水閘運行管理相關(guān)規(guī)定，對多孔水閘來說，一般先開啟中間孔，然后對稱開啟后啟孔[5]。本文以1孔、3孔、5孔同步分檔開啟進行研究，但考慮到文章篇幅限制，且不同開啟方案計算過程相近，故本文只以5孔同步分檔開啟為例進行討論。

3.3結(jié)果討論

根據(jù)閘門不同開啟度計算閘孔過流能力，計算公式，結(jié)合下游河床斷面尺寸，采用明渠均勻流公式試算下游河道水深h’s，計算結(jié)果見表1。根據(jù)圖1所示消力池計算流程，輸入hc進行試算，使得等式1.3右邊無限接近于0，此時迭代結(jié)束，計算結(jié)果見表2。由圖2不同開度下水閘出水池河床水深hs及躍后水深h”c不難看出，設(shè)計工況下，隨著閘門開度的增大，出水池河床水深hs及躍后水深h”c呈逐漸增大的趨勢，但總體上出水池河床水深hs大于躍后水深h”c，表現(xiàn)為出池落差△Z<0，此時在消力池內(nèi)將發(fā)生淹沒水躍，理論上來講，不需要設(shè)置消力池，而消力池計算深度d在不同開度下均表現(xiàn)為負(fù)值，也進一步表明設(shè)計工況下不需要設(shè)消力池。由于本項目主要是對水閘進行安全鑒定評價，因此綜合評價結(jié)論為：該閘消能防沖滿足規(guī)范要求。

4結(jié)論

本文通過對水閘設(shè)計中消力池計算問題進行探討，梳理了公式中不同計算參數(shù)的確定方法，提出了一套系統(tǒng)的消力池計算流程，并以平原區(qū)某節(jié)制閘為例，在合理確定閘門開啟度的基礎(chǔ)上，分析計算了所需消力池深度。結(jié)果表明：不同開啟度下，下游河床出水池水深均大于躍后水深，即出池落差△Z<0，此時消力池計算深度d<0，消力池內(nèi)將發(fā)生淹沒水躍，不需要設(shè)置消力池即能滿足水閘消能防沖要求。

參考文獻

[1]龐牧華.不同閘門開啟條件下消力池設(shè)計研究[J].工程與建設(shè)，2015(4):499-501.

[2]李家星，趙振興.水力學(xué)[M].南京：河海大學(xué)出版社,2001.

[3]趙斌.關(guān)于水閘消力池深度計算的探討[J].中國水能及電氣化，2011(6)：25-27.

[4]馮臻，韓曉玲.用Excel程序進行水閘消力池的水力學(xué)設(shè)計[J].中國農(nóng)村水利水電，2003(5):51-52.

[5]吳紹祝.高落差水閘消能防沖設(shè)計探討[J].廣東水利水電，2010(11):74-75.

作者:李建國 賈冬梅 單位:安徽省水利部淮委水利科學(xué)研究院 河海大學(xué)水文水資源學(xué)院