浅析水闸设计中影响消力池设计尺寸的关键因素

程 琳,张媛媛,李 岩

(河北省南运河河务管理处,河北沧州 061000)

浅析水闸设计中影响消力池设计尺寸的关键因素

程 琳,张媛媛,李 岩

(河北省南运河河务管理处,河北沧州 061000)

水闸消力池的深度和长度取决于水跃发生的形式和位置,而水跃的跃后水深和下游尾水位的相对关系决定水跃的形式,是影响消力池尺寸计算的关键因素。但在实际计算中,人们容易忽略水跃形式的判断,仅利用公式计算导致计算结果不准确。把握好这一关键因素,可以避免一些计算过程中的误区,对消力池的设计计算十分重要。

消力池;水跃;跃后水深;下游尾水位

水闸消力池的设计主要内容是确定消力池的池深和池长。通常设计规范中给出的计算公式,是针对一个给定的流量和下游水位,而在水闸的运行过程中,过闸流量和下游水位是不断变化的,消力池需要在各种不同条件下工作。为了保证各种流量时的水跃均发生在消力池内,消力池的设计尺寸应为各种流量下计算的最大值。因此,在消力池设计计算中,分析影响消力池尺寸的因素,掌握池深和池长的计算特点,可以确保设计结果的合理性和准确性。

在实际计算中,我们不难发现,消力池的池深和池长并不随流量的不断增大而变大,流量的变化对消力池尺寸的影响是复杂多变的。消力池的池深和池长取决于水跃的形式以及位置。水跃的形式和位置决定于闸下游尾水位h′s和h″c水跃的跃后水深的相对关系。所以,h′s和h″c的相对关系是影响消力池计算尺寸的关键因素。本文将从两个方面详细探讨下游尾水深h′s和h″c跃后水深的相对关系对消力池尺寸计算的影响。

1 h″c-h′s对池深计算的影响

水流通过水闸下泄,在下游形成水跃,未设消力池时,会出现三种形式的水跃:即为临界水跃;远驱式水跃和淹没水跃。从水工和消能的角度看,前两种水跃需要的护坦较长,且不稳定,因此,工程设计中,要求下游产生一定淹没程度的水跃,这样所需护坦较短,离建筑物较近,消能效果也较好。因此,消力池的设计深度是为了加大水闸下游水深,使水跃控制在紧靠建筑物之处,并形成淹没程度不大的水跃。

由此可得:池内水深hT=ej×h″c

水跃完全发生在池内,离开消力池的水流,由于竖向断面收缩,过水断面较小,动能增加,水面跌落一个Δz值,

则由图1可知:hT=d+h′s+Δz

Δz的值较小,可略去不计得到粗略估算池深的近似公式:

式中,d为消力池深,m;ej为淹没系数;h″c为水跃跃后水深,m;h′s为下游尾水深,m;

图1 消力池深度计算示意图

由式(1)可以看出,池深随(h″c-h′s)的增大而增加。相当于(h″c-h′s)为最大时,求得的池深d为所需消力池的最大深度。那么实际计算中池深d和(h″c-h′s)的关系是否如此,我们再通过下面的例子进行分析。

捷地在南运河来水300 m3/s时,捷地新建泄洪闸分流180 m3/s。闸为3孔,每孔宽4.4 m。下游河道的水位流量关系如表1所示。

2 h′s/h″c对池长计算的影响

水位/m下游水深/m流量Q/(m◦s-1) 0 0 0 7.511.6530 7.862.0040 8.192.3350 8.913.0575 9.593.73100 10.154.29125 10.614.75150 11.015.15180

表1 水位流量关系表

在水闸运行过程中,由于闸门开启度的变化,即流量的变化,下游尾水位h′s与跃后水深h″c之间也在不断发生变化,当h′s/h″c≤1时,将发生自由水跃,而h′s/h″c＞1时,将发生淹没水跃,并且随着淹没程度的加大,淹没水跃的水跃长度也将大于自由水跃长度。而消力池长度决定于水跃长度Lj,但随过闸流量及上下游水位的变化,引起出流形式不断变化,导致闸后水跃形式发生变化,从而使水跃长度也在发生变化。那么水跃长度决定消力池的长度,水跃长度受水跃形式的影响,也就是说,h′s/h″c的大小影响消力池长度的设计。而实际我们计算时,容易忽略这一特点,直接套用规范中的公式。对于自由水跃和淹没水跃的水跃长度计算公式是不同的:自由水跃的长度,Lj=6.9(h″c-h′s)与规范相同;淹没水跃长度Lj=(4.9s+6.1)h″c,其中,淹没度s=(h′s-h″c)/h″c。以前面的计算为例,可以看到按两种方法计算所得的水跃长度,经过比较可以发现,经过辨别后,按水跃不同形式采用不同公式计算的水跃长度差值比较大,而且随着流量的增加,差值直线上升,这对于一个较大的工程来说是不容忽视的。

因此,可以说下游尾水位h′s与跃后水深h″c之间的相对大小h′s/h″c直接影响消力池长度的设计。计算消力池长度时,应首先分析h′s/h″c的大小,进而确定水跃形式,选定合适的计算公式,以求得到跟符合实际,对水闸安全最有利的消力池设计长度。

3 池深、池长计算结果

计算消力池深和池长的计算结果如表2所示。

表2 消力池池深、池长计算表

由表2中可以看出,d随(h″c-h′s)增大而变大,而(h″c-h′s)的最大值并不是流量的最大值,在实际设计中,容易忽略这一关系,根据最大单宽流量E=V ΔHq,习惯认为流量最大时,消力池深度最大,导致计算上的不准确。因为当流量增大时,下游水位也增大,此时上下游水位差并不是最大。所以,根据流量变化并不能直观的反应池深的变化规律。而将下游尾水位与跃后水深的相对大小(h″c-h′s)作为关键影响因素,可以更直接得到消力池深的设计值。

因此,计算时,我们可以利用这一特点,在给定的流量范围内对不同的流量计算h″c,并与对应流量下的下游尾水深h′s进行比较,选取(h″c-h′s)的最大值相应的流量,在此流量下计算消力池深为d的设计值。

4 结论

由以上论述可得,下游尾水位h′s和水跃的跃后水深h″c的相对关系对消力池池深、池长的计算有直接关系,是影响消力池设计尺寸的关键因素。因此,深入理解并掌握好h′s～h″c的相对关系与消力池尺寸设计的关系,才能避开设计中的一些误区和盲点,使设计结果更加符合实际。

[1] 陈宝华,张世儒.水闸[M].北京:中国水利水电出版社,2003.

[2] 张怀斌.浅谈水闸下游底流式消能防冲设计的两个问题[J].吉林水利,2009(7):19-21.

[3] 吴持恭.水力学[M].北京:高等教育出版社,2004.

[4] 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.

(责任编辑:郭书俊)

The Key Factors Affecting the Size of Stilling Basin in Sluice Design

CHENG Lin,ZHANG Yuan-yuan,LI Yan
(Hebei South Canal Management Office,061000,Cangzhou,Hebei,China)

The depth and length of sluice stilling basin depends on the form and position of hydrolic jump.The relative relationship between the sequent depth of hydraulic jump and downstream water level determines the form of hydraulic jump,which is the key factor affecting the calculation of stilling basin size.But in the actual calculation,people are easy to ignore the judgement of hydraulic jump form,and only make use of the formula to calculate,which leads to the inaccurate calculation result.Grasping the key factor can avoid the misunderstanding in calculation,which is very important to the design calculation of stilling basin.

stilling basin;hydraulic jump;sequent depth of hydraulic jump;downstream water level

TV653+.1

A

1008-3782(2012)02-0024-03

2012-05-09

程 琳(1982-),女,河北沧州人,河北省南运河河务管理处助理工程师,主要从事工程管理工作。