关于水闸闸后消能设计计算的探讨

【关键词】水闸 消能设计 计算 

　　一、水闸闸后消能防冲设计的基本理念和方法 

　　在水利工程中，水闸是非常重要的组成部分之一，它最为主要的作用是挡水和泄水，想要使水闸的作用能够充分发挥，其消能防冲设计是关键环节。消力池是水闸消能防冲设计中应用较多的一种形式，这种设计方法及其结构都相对比较成熟和完善，在没有特殊要求的情况下，水闸闸后消能设计一般都会采用该形式；防冲裙板也是一种较为有效的水闸消能防冲形式，它是将防冲板和防冲墙有机结合到一起的水闸消能形式，其设计原理是将入射的水流进行分散，借此来使入水面积有效增大，这样一来便可以进一步减少河床单位面积上的冲刷荷载，进而达到减轻水流冲刷河床的效果。这种设计方法在多河流软基中非常实用，尤其是随着新工艺和新材料的不断涌现，使得裙板的抗冲刷、耐腐蚀性大幅度提高，同时，抛填卵石以及铅丝笼等施工措施的应用，使结构设计得以简化；随着研究的不断深入，一些专家学者提出了适当消能的设计理念，由于在水利枢纽工程中，经常会出现各种比较不利的工况，此时可以采用适当的消能防冲进行消能，借此来使进过枢纽下泄的洪水既能将泥沙夹带过闸防止闸后淤积，又能防止局部冲刷力过大影响枢纽安全。这种设计方法也是在闸后设计防冲裙板等消能防冲形式，借此来控制闸后水位使其形成面流衔接，进而达到消能的效果。 

　　必须阐明的一点是，无论采用何种设计方法对水闸进行消能设计，都必须进行准确的计算，这也是整个设计过程中最为重要的环节之一，如果计算结果有误，则会对消能设计造成一定影响，极有可能导致消能防冲的作用无法充分发挥。为此，必须在设计前进行计算，并确保计算结果准确无误。 

　　为了便于研究，本文以实例为依托，对水闸闸后消能设计的计算进行详细论述。某水闸为2×4m，该水闸上游水位和下游水位分别为3.4m和1.5m，水闸的底板高程为1.0m。

　　（一）计算流程。 

　　Step1：先对过闸流量Q进行计算。具体可以根据宽顶堰的自由出流公式对过闸流量进行计算，计算过程中的主要参数如下：e=0.95；m=0.385；H0≈H=2.4m；=8m。由此可以求出： 

　　Q=0.95×0.385×8×4.429×2.41.5=48.18m3/s 

　　Step2：通过计算求出hc和hc''。具体计算过程如下： 

　　E0=hc+q2/2gφ2hc2，为了便于计算我们假设消力池的池深为1.2m，由此可知池底高程为-0.2m，则，E0=3.40+0.2=3.60m；位于出口位置处的B=24+1=9m，由此可计算出单宽流量q= =5.535m2/s；=0.95，g=9.81，然后将上述数字带入公式当中，经过计算可以求出hc=0.754m，再将该数值代入到求的公式当中，经过计算后可求出hc''=2.432m。 

　　Step3：求消力池出口位置处的水深。首先求hk，由B=9+2×l7×tg8o=13.78m，q= =3.496m2/s，hk=（q2/g）1/3，可计算得出hk=1.076m。因为下游的水深为0.5m，其小于1.076m，所以消力池出口位置处的水深可以按照宽顶堰自由出流公式进行计算：H0=（q/（2g）1/em）2/3，由已知参数可求出H0=1.67m。 

　　扣除掉行进过程中的流速水头vo2/2g=0.096m则可求出实际的堰顶水深H1=H0-vo2/2g=1.67-0.0961.574m。 

　　淹没系数δ=（1.574+1.2）/2.432=1.141>1.05，即淹没。按照上述计算可知，水跃已经被淹没，非常安全。此时需要检验消力池出口水位为2.574m时是否会对水闸下的出流造成影响，该环节相对比较简单，只需要将该水位换算成为水闸闸门出口位置处的实际水深即可，即Hk=2.574-1.0m，Hs/H=0.656，其小于0.80，故此不会对水闸下的出流造成影响。 

　　（二）水位连接。 

　　借助长度为5m的调整段，并使其与坡度为1：10的海漫陡坡相连接，hk为该陡坡起始端的临界水深，则hk=（q2/g）1/3，代入数值后可求得hk=1.076m。该位置处的流速V=Q/ hk×B=3.249m/s。因为在本实例中的海漫为1：10的陡坡，故此越是向下的流速就越大，最终水深会达到与陡坡相适应的正常水位H0，由此便可以推出B1型降水曲线。按照上述的计算原则，可求出海漫起始位置出的V=3.249m/s，而与之相距1.0m位置处的V则等于3.914m/s，距离起始端位置处7.45m的Vmax均=5.469m/s，在该位置处以后的水深会逐步增大，而流速则会随之逐步减小。由计算可知，海漫上可能出现的最大流速为5.469，这个数值明显大于干砌石的实际允许流速。为此，应当将海漫全段以及调整段改成厚度为0.2-0.3m左右的混凝土预制砌筑，它的允许流速大于等于6m/s，属于安全。 

　　三、结论 

　　总而言之，水闸闸后的消能设计是水利枢纽工程中较为重要的研究课题之一，尤其是在一些相对比较特殊的地基基础上建设水闸时，更需要特别注意，一旦消能设计的不合理，便有可能影响到水闸的安全、稳定、可靠运行。所以，在进行水闸消能设计时，必须做好相应的计算工作，同时，要以计算结果为依据，进行消能设计。只有这样，才能使水闸本身的消能防冲作用得以充分发挥，进而确保水利枢纽工程安全、稳定运行。 

　　参考文献： 

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　　[4]茹建辉.中小型水工建筑物下游消能设计[J].广东水利水电，2011，（11）.