关于确定闸后消力池参数的新方法

刘士风,白文斌,刘冠美

(四川省都江堰东风渠管理处,成都,610081)

1 规范方法

水闸设计规范(SL265—2001)对闸后消力池参数的确定有明确规定,其计算模型和公式如下:

图1 消力池参计算模型

式中:d——消力池深度(m);

σ

0——水跃淹没系数,可采用1.05～1.10;

h″c——跃后水深(m);

hc——收缩水深(m);

α——水流动能校正系数,可采用1.0～1.05;

q——过闸单宽流量(m2/s);

φ——流速系数,一般取0.95;

b1——消力池首端宽度(m);

b2——消力池末端宽度(m);

T0——由消力池底板顶面算起的总势能(m);

△Z——出池落差(m)

h′c——出池河床水深(m)。

消力池长度可按以下公式计算:

式中:LsJ——消力池长度(m);Ls——消力池斜坡段水平投影长度(m);β——水跃长度校正系数,可采用0.7～0.8;LJ——水跃长度(m)。

2 规范方法存在的问题

从根本上说,消力池是闸后耗散水体能量的水利工程,防止水流对闸后河道、渠道的冲刷破坏。在这里,消能是否充分直接关系到水利工程的运行安全,而池深和池长就是关键参数。规范规定的方法是:即由能量方程确定池深,由水跃长度乘以系数(0.7～0.8)确定池长。该方法的主要问题是:

(1)将能量耗散的整体问题分割成不相干的长度和深度,两参数的确定无直接联系。

(2)消力池长度与衬砌材料无关。

(3)实践证明该方法确定的长度偏小。川西多数河床式电站往往需要修建二级、三级消力池,如成都徐堰河罗家桥电站,设计流量为48m3/s,

闸前水头5m,按最不利工况计算,消力池长按规范规定为17m,运行不久即冲坏,反复加固,最终消力池长为34m。

闸室上下游的能量差,通过消力池耗散能量,方能形成平稳出流。水体在消力池中紊动,实际上是水流与池底、池壁相互间的摩擦运动。消力池内,能量整体耗散是摩擦阻力作功的结果。因此,本文引入衬砌材料的抗冲流速作功的概念。

一般功与功率由下式确定:

W=F·S N=F·v

摩擦阻力由下式确定:F=f·G

式中:f——摩擦系数;

G——水重;

W——功;

N——功率。

N=F·v=G·(f·v),其中v由实验确定。

则N=G·Vc

在消力池能量耗散过程中,

△E·q=V·d·L (1)

式(1)表示闸室上下游的能量差等于衬砌材料的抗冲流速作功,等式两边量纲均为m3/s。

4 新方法计算步骤

步骤1:在闸前和闸后两个断面运用能量方程,求出消力池的深度和能量差。

步骤2:引入衬砌材料的抗冲流速Vc(Vc由实验确定)。

步骤3:计算消力池长度L0,由公式(1)可得:

式中:L——消力池长度(m);

△E——闸上下游两断面单宽能量差(m)。

式中:L—消力池长度(m);

△E—闸上下游两断面单宽能量差(m);

H1,V1——闸上游断面水头、流速(m,m/

s);

H 2,V2—闸下游断面水头、流速(m,m/s);Vc—池底材料抗冲流速(m/s);

d—消力池深度(m);

q—单宽流量(m3/s·m)。

各种材料允许的不冲流速按表1～表4选用。

表1 石渠允许不冲流速 单位:m/s

表2 防渗衬砌渠道允许不冲流速

表3 粘性土渠道允许不冲流速

表4 非粘性土渠道允许不冲流速 单位:m/s

4 算例

算例1:某溢流坝,坝高10m,坝顶水头3.2m,单宽流量12m3/s·m,下游水深3.05m,试求消力池深度和长度。

(1)按照规范的方法:求得池深d=1.1m,池长L=(0.7～0.8)×33.4=(23.4～26.7),取L=25m

(2)本法:由公式L=△E·q/(Vc·d)

△E=[H1+V21/(2g)-H2+V22/(2g)〕=(13.2+0.9×0.9/19.6)-(3.05+3.42×3.42/19.6)=13.24-4.09=8.34m

取Vc=2,L=(8.34×12)/(2×1.1)=45.4m

由上述计算可以看出,若用水跃长度确定消力池长度,水跃长度校正系数β不是0.7～0.8,而是1.2～1.5,这个数据与川西平原各水闸已修建的一、二级消力池总长吻合。 ■