泄水建筑物消能设计

许美芳，宋广旭

(汤原县水务局，黑龙江汤原154700)

1 引言

建筑物的下泄水流具有以动能为主的大量机械能，对河床和下游渠道会产生强烈的冲刷，消能防冲是泄水建筑物设计中的一项主要内容。从物理概念说，能量是不能消掉的，实际上我们要做的只是设法使有危害的机械能尽量转换成热能而消散去，让水流在预计的空间，通过水与水、水与固体边界、水与空气等各种相互摩擦、混掺、冲击、碰撞等方式，实现能量的转换。消能方式可按高速主流的位置与状态分为底流水跃消能、挑流消能、戽斗或跌坎面流消能等几类。

2 水跃消能

水流由急流过渡到缓流，会产生一种水面突然跃起的特殊的局部水力现象，称为水跃。

水跃的运动要素变化得很剧烈。上图绘出了水跃段中和跃后一些断面上的流速分布图。从图中可以看出，流速急剧变化和水跃段中最大流速靠近底部的情况。在水跃表面旋滚与主流的交界面附近旋涡强烈，从而导致该处水流的激烈紊动、混掺，使得紊流的附加切应力远较一般渐变紊流的为大。很大的紊流附加切应力使跃前断面水流的大部分动能在水跃段中转化为热能而消失。在跃后断面2－2处，流速的分布还是很不均匀的(见图1)。同时，该处的紊流强度也远较正常的渐变紊流为大。直到断面3－3处，紊流强度才基本恢复正常。断面2－2与断面3－3之间的流段称跃后段。

图2中表面旋滚起点过水断面1－1称为跃前断面，该断面处水深称为跃前水深。表面旋滚末端的过水断面2－2称为跃后断面，该断面处的水深h2称为跃后水深。跃前、后水深之差称为跃高，之间的距离称为跃长。

首先需要判断水跃发生的位置，判断时可视收缩断面处水深为跃前水深，下游河渠中的水深为水跃发生的跃后水深。

当ht=h2时，水跃恰好发生于收缩断面处，称为临界式水跃衔接。这种衔接形式不够稳定，下游水深稍有变化即将导致水跃位置的移动。

当ht＜h2此时下游水流的断面比能大于临界水跃跃后断面的比能，使水跃涌向上游并淹没了收缩断面，形成淹没式水跃衔接。

当ht＞h2此时水流通过收缩断面之后还有一段壅水的急流，这种衔接型式称远离式水跃衔接。

远离式水跃因急流段需要保护而不经济，淹没式水跃当淹没度较大时消能效率比较低，同时水跃段的长度也比较大，临界水跃消能效率比较高，需保护的范围也最短，但是水跃发生的位置不够稳定。因此，在实际的工程中采用的是稍有淹没的水跃衔接。

3 底流消能的设计

在尚未采取工程措施时，经判断自然衔接发生远离式水跃时，便可决定采取工程措施修建消能池。其主要的设计计算任务就是计算消能池的挖深和池长。

3.1 池深的确定

池末局部水深hT略大于临界水跃的跃后水深h″c1可表达为:

式中:σ为水跃的淹没安全系数，一般取σ=1.05～1.10。

应用水跃方程，有:

式中:收缩断面水深hc1可由下式求得:

在对消力池出口水流段能量方程:

式中:φ为流速系数。

以上4个方程构成的方程组，可求得消能池的挖深。

如果忽略计算式中的流速水头Δz，并以尚未降低底坎时的临界跃后水深替代，即可得到初步估算的近似公式:

图1 水跃流速示意图

图2 水跃断面示意图

3.2 消力池长的确定

消力池过长将增加不必要的工程投资，池长不够，即使池深足够也不能在池中形成消能充分的水跃，底部主流甚至会跳出消力池冲刷下游河床。显然合理的池长应从平底完全水跃的长度出发考虑。但是消力池中的水跃受到底坎的阻挡作用能量有所减少，实验表明它的长度要比无坎阻挡的完全水跃缩短20%～30%。

池长计算:

式中:Lj为平底完全水跃长度。

4 实例应用

已知条件:某泄水建筑物尾水总过流量为20 m3/s，过水宽度6 m。泄水闸门上游水位105.000 m，闸底板顶面高程100 m，消力池首末端宽度6 m，下游渠道水位102 m，下游渠底高程100 m，流速系数φ=0.95，淹没系数σ =1.05。

应用第三节所叙述的设计计算方法进行消力池计算:

消力池深s=0.421 m;消力池长Lk=10.427 m;跃前水深hc=0.352 m;跃后水深hc″=2.367 m;实际工程中取消力池深0.5 m，池长11 m。

5 结语

合理布置水利枢纽工程的泄水工程，确保洪水安全下泄，是水工设计中的重要一项。底流消能历史悠久，因其流态稳定，消能效果好，对下游冲刷较轻，且无水雾干扰，故应用广泛。他适用于各种水头、流量及地质条件。但底流消能也存在其缺点，消力池的工程量较大，工程投资高，当泄流高差较大时，高速水流对过流断面能造成空蚀破坏。

［1］中华人民共和国水利部.GB/T50265－97泵站设计规范［S］.北京:中国计划出版社，1997.

［2］王世夏.水工设计的理论和方法［M］.北京:中国水利水电出版社，2000.

［3］栾鸿儒.水泵及水泵站［M］.北京:中国水利水电出版社，2006.

［4］张慧丽，王爱华，张力春.底流消能及其在工程上的应用［J］.黑龙江水利科技，2009，37(2):82.