水闸消能效果分析研究

2010-10-25冯建江陈海雄

中国水利 2010年8期

冯建江，陈海雄

（浙江水利水电专科学校，310018，杭州）

水闸是水利枢纽工程重要的组成部分之一，它是既能挡水又能泄水的低水头水工建筑物，在防洪、灌溉、排水、航运、发电等水利工程中应用十分广泛。水闸的消能一般采用底流式（水跃）消能，但是，低水头水工建筑物的水力学问题往往是佛汝德数低、水跃的消能效果较差。研究表明，利用水跃消能，当佛汝德数Fr小于4.5 h时，消能率一般为20%～40%。由于消能工的消能率较低，大量的能量被水流携带到下游，下游水流紊动剧烈，在洪水期泄流时，闸下水流对下游河床及两岸的冲刷常有发生，甚至危及建筑物的安全。因此，对闸后水流如何有效地消除水流能量进行分析研究显得非常重要。本文通过合理确定消力池的设计工况、增加辅助消能工、建复式消力池的方法进行分析研究。

一、水跃消能的基本原理

由紊流力学可知，在紊流动能平衡方程式中通过量阶比较可以得到紊动能量耗散项的关系：

式中，εr为紊动能量的耗散项，u′为水流的脉动流速，λg为微小涡旋的平均尺度。由此项可知，在水流消能防冲设计时，应尽可能增大消力池内水流的紊动，增大水流能量的耗散，而水跃正是具有强力的水流紊动特征。它一般由两部分组成，即表面漩滚区和底部主流区。它可以从三个方面消能：①表面漩滚区内，有大量的漩涡产生，掺气的水质点作无规则的旋转并伴随着剧烈的紊流和碰撞，从而消耗了部分水能；②底部主流区水流急剧扩散，断面流速分布随之发生结构性调整，达到消能的目的；③表面漩滚区和底部主流区交界面处由于流速梯度很大，且水质点相互混掺，产生了动量传递，把主流区能量进一步带到漩滚区进行消能。从水跃消能的原理知，水跃消能目的是要使水质点产生强烈紊动。

二、提高水闸消能效果的常用工程措施

泄水建筑物消能的工程措施较多，但水闸一般采用底流式消能。底流式（水跃）消能的消能结构措施常有：挖深式消力池、消力坎式消力池、混合式消力池及辅助消能工。由于水闸是低水头水工建筑物，对于单一形式的消力池消能效果往往较差，因此必须采取有效的消能措施来提高消能率。主要从合理确定消力池设计工况和增加辅助消能工方面来提高水闸的消能率。

1.合理确定消力池设计工况

消力池是底流式（水跃）消能常用的消能工，对于中小型水闸工程，一般较多采用单一形式的消力池，通过水力计算可确定它的池深及池长，使得在不同的工况下能够保证池中产生淹没式水跃，达到更好的消能目的。因此，设计消力池时必须选择不同的工况进行计算，最终确定池深及池长。结合工程实例，对陆中湾水闸消能水力计算进行分析。

（1）陆中湾水闸消能设计工况（见表1）

（2）陆中湾水闸消能计算成果

根据现行《水闸设计规范》，用Excel软件分析得到陆中湾水闸消能计算成果（见表2）。下游水位1.5 m是指水闸外海多年平均低潮位，水闸消能计算时消力池末端水深根据外海多年平均低潮位1.5 m及相对应的流量推求得到。最终确定陆中湾水闸消力池深度为1.5 m，池长为11 m（水平段，不包括斜坡段），能保证在不同工况下消力池内都能产生淹没式水跃，而不是远离式或临界式水跃，从而达到相对理想的消能效果。由计算知，在各种工况下，消能率的变化范围是19.1%～54.8%。

2.增加辅助消能工

从单一消力池的水闸消能情况分析结果看，消能率比较低，使得出池水流具有较大的动能，会造成下游河床及两岸的冲刷。为了减轻对下游河床的冲刷，提高消能率，必须在合理确定消力池设计工况的情况下，进一步增加辅助消能工，从而达到较好的消能效果。辅助消能工有多种情况，分别分析如下。

（1）消力池内增加趾墩和消能墩

趾墩设置在水闸底板斜坡段末端的坡脚处，即消力池的首端，一般适用于中、低水头的水闸辅助消能。它可以改善水闸泄水水流进入消力池内的始流条件，将水流挑起，然后再跃入池内，并在池中产生水跃。在此过程中，水流在垂直方向发生扩散且具有差动式消能的效果，使水流得到了有效的消能。

消能墩布置在消力池内，它的作用是促使水流进一步扩散、相互撞击，增强了水流的紊动，从而达到增加消能的效果，同时减少了消力池深度和长度。

表1 陆中湾水闸消能设计工况

表2 陆中湾水闸消能计算成果表

趾墩和消能墩结合在一起，通过试验研究，证明辅助消能工的消能效果更加明显，这种辅助消能工的消力池就是美国垦务局推荐的USBR-Ⅲ型消力池。

（2）海漫段加T形墩

水流通过消力池消能后，出池水流仍有较大的余能，紊动剧烈，底部流速仍较大，具有一定的冲刷能力，因此，消力池消能后还需设置海漫及防冲槽。一般海漫设计材料往往采用混凝土和块石，主要通过材料的粗糙、抗冲等特点来有效消除余能。

但是用一般的海漫来消除余能的消能效果仍然不是很好，有效的方法是在消力池后原浆砌石（或混凝土结构）海漫段中部加设一排T形墩。试验研究表明，闸后消力池内产生淹没式水跃，出池水流形成急流，加设T形墩后，壅高了墩前水深，降低了海漫段水流的底流速，显著减少了下游河床的冲刷，改善了下游流态，削弱了下游波浪的形成，说明海漫段加T形墩具有良好的消能效果。

（3）筛网式消能

筛网式消能是根据水力学中过水断面突然缩小或扩大可消除水流的大部分能量，即水流能量以因断面突然缩小或扩大后产生局部损失而消能的理论为基础。在水闸底板的后面、消力池顶部设一混凝土筛网，即将混凝土板做成网格式，使水流通过网孔下落到消力池中。网格起到分散水流改变过水断面（即过水断面突然缩小或扩大）而达到消能的目的。下部消力池采用短深式，即长度与网板相同，深度加深，使过网水流跌落到池中，产生漩滚以便进一步消能，能够起到良好的消能效果。

三、复式消力池

水闸一般是在低水头情况下泄流，跃前断面的佛汝德数低，所以普通的消力池往往消能效果不够理想，尽管增加了辅助消能工，消能率还较低。另外，采用辅助消能工如消能墩后，水闸泄流时容易在消能墩处产生空化现象，严重的会发生消能结构破坏。因此，为了提高水闸的消能率，又不至于因产生空化而破坏消能结构，有效的方法可以采用复式消力池，即多级消力池，常用的是二级消力池。复式消力池消能已得到了广泛应用。

1.复式消力池的工程应用

①内蒙古河套灌区总干渠第一分水枢纽乌拉河进水闸，闸下设消力坎式消力池消能，该闸运行多年，运用条件已发生变化。为此，该闸被列入黄河内蒙古河套灌区2001年续建配套与节水改造工程，要求重新进行水闸消能设计。设计考虑了消力池拆除重建及二级消力池两个方案，通过计算表明，二级消力池具有较好的消能效果，最终推荐采用二级消力池方案。

②潮州供水枢纽拦河水闸消能工改造设计，通过三个消能设计方案的比较，表明其中二级消力池消能方案的消能效果较好，最后设计方案采用了二级消力池消能。

③重庆斑竹园水电站泄洪冲沙闸共设5孔，每孔净宽12.10 m。设计洪水泄流 6 100 m3/s(P=2%)，水库维持设计洪水位267.10 m，即正常蓄水位267.10m时，单孔泄流1220m3/s。根据设计提出的要求,经计算，普通消力池难以达到消能要求，继续进行了调整消力池长度、降低消力池底板高程、调整尾坎高程、增设消力墩等多种措施的试验研究，结果是各项措施的消能效果差异不大，采用普通消力池难以达到设计提出的消能要求。根据现有的研究成果，两级或多级消力池可加强消能效果，于是选定最不利消能组合，对两级消力池进行了试验研究。结论是在二级消力池内均产生水跃，通过两次消能，其消能率可达75%左右。采用二级消力池进行水闸消能设计的工程实例很多，已得到广泛的应用。

2.三八江水闸消能设计

三八江水闸工程位于浙江省，消能设计采用（普通）一级消力池和（复式）二级消力池两个方案，经计算，普通（一级）消力池的消能效果不够理想，没有满足消能要求，最后设计采用（复式）二级消力池消能，消能率得到较大幅度的提高。

（1）三八江水闸消能设计工况（见表 3）

表3 三八江水闸消能设计工况

表4 三八江水闸消能成果表

（2）三八江水闸消能计算成果

根据现行《水闸设计规范》，用Excel软件分析计算得到三八江水闸消能计算成果（见表4）。下游水位1.5 m是指水闸外海多年平均低潮位，水闸消能计算时消力池末端水深根据外海多年平均低潮位1.5 m及相对应的流量推求得到。最终确定三八江水闸一级消力池深度为1.1 m，池长为14 m(水平段，不包括斜坡段)；二级消力池深度为0.8 m，池长为12 m(水平段，不包括斜坡段)，能保证在不同工况下消力池内都能产生淹没式水跃，而不是远离式或临界式水跃，从而达到理想的消能效果。由计算知，在各种工况下，（普通）一级消力池消能率的变化范围是23.9%～54.0%，（复式）二级消力池消能率的变化范围是42.3%～79.4%，即两个消力池的总消能率，再次说明复式消力池具有良好的消能效果，因此，在今后的工程中会得到更加广泛的应用。