消力坎高度取值规律

2016-09-30苑司乐

东北水利水电 2016年4期

关键词：极大值水头水深

苑司乐

（北京东方园林股份有限公司，北京 100015）

消力坎高度取值规律

苑司乐

（北京东方园林股份有限公司，北京 100015）

在水工设计中经常涉及到消力坎高度的计算。当下泄水流发生远趋式水跃时应设置消力坎，以消除多余的水流动能。在设计消力坎高度时有些工程师们常常会采用下泄最大流量时计算所得的消力坎高度，然而此时计算出的结果并不一定是消力坎高度的最大值，因为有可能在小于设计过流能力时需要的消力坎更高。文章从分析工程设计中消力坎的设计高度与下泄流量和淹没状态之间的关系入手，得出消力坎高度与两者之间的规律。

消力坎；下泄流量；淹没系数；坎高取值；规律

1 概述

泄水建筑物下游常设置一些消能设施，为下游河底及岸坡起到了很好的保护作用。泄水建筑物下游的消能方式常用的有底流消能、挑流消能、面流消能。其中底流消能最为常见，因为底流消能拥有结构简单、消能效果明显、对下游水位变幅要求低、对地质情况适应性强等特点，在闸流、堰流、排水等情况下优先被采用。

在底流消能设计中消力坎设计是整个消能工设计中的重要一环，计算出的消力坎高度是否合适往往直接影响着消能工能否起到保护下游免受冲涮的作用。如果消力坎高度的取值并非是工程运行中所要求的最大值则可能直接威胁下游工程的安全，但工程实例中消力坎设计高度并不一定是设计流量最大值时计算出的值，本文主要围绕消力坎高度的取值与下泄流量及淹没状态两个参数进行分析。

2 消力坎高度设计实例分析

2.1 消力坎高度计算原理

为保证计算成果的精确度和可信度，在本案例分析中采用最基本的理论公式，通过Excel表格进行直接计算。采用的理论公式：

式中：E0——上游建筑物总水头，m；hc——收缩断面水深，m；q——下泄单宽流量，m3/（s·m）；准——流速系数，可由水力学计算手册——第二版表4-2-1查得；h″c——跃后水深，m；c——消力坎高度，m；滓——安全系数，一般取1.05~ 1.10；滓s——淹没系数，可由水力学计算手册——第二版表4-2-2查得；m——过坎水流流量系数，可取m=0.42。

2.2 消力坎高度计算模型

由于水力消能工的形式多种多样，消能工与上下游的衔接形式也因地形、地貌、地质而有所不同。下面采用矩形断面河道中堰闸泄流消能的模型，推求消力坎高度与下泄流量和水流淹没状态的关系。

为方便计算，设定渠道为混凝土渠道，表面采用水泥砂浆抹平，消力坎采用凸起式型式，河道纵降取i=2‰；溢流堰采用曲线实用堰，溢流堰的上下游底高程相等，设定上游水头分别为3，4，5 m等3个级别。同时在同一水头的情况下，分别研究不同流量情况下的消力坎高度及其变化规律。本文采用横向和纵向数据项目对比分析的方法：横向上分析在水头相同，流量变化的情况时，消力坎的变化规律；纵向上分析验证不同水头时消力坎高度的变化规律。

2.3 计算成果

通过水力计算，可计算得出在总水头与下泄流量不同条件下得到收缩断面水深、跃后水深、相应下游水深、消力坎高度、淹没系数等主要参数，计算所得成果见表1。

根据以上数据成果，绘制消力坎高度与单宽流量和消力坎高度与淹没系数之间的相互关系曲线，绘制的曲线图，见图1。

2.4 计算成果解析

2.4.1 消力坎高度和单宽流量的关系解析

图1 堰上消力坎高度及淹没情况图

通过对消能工的水力计算，可绘出消力坎高度在不同水头情况下与单宽流量之间的关系曲线，通过绘制的曲线我们可以非常明显的看到消力坎高度的变化并非是随着下泄流量的增大而不断增高的，其高度呈上凸曲线形式的变化。通过几种情况的分析发现，当流量由小变大时，起初消力坎的高度增加速度较快，随后消力坎增加变缓，当单宽流量增加到一定值时，消力坎的高度则达到一个极大值，随流量继续增加，消力坎的高度并没有继续增高，反而逐渐降低，随单宽流量的增加变低程度相比增高时变化缓慢。

上述图形清楚的揭示了消力坎高度随流量增加而变化的规律，即消力坎高度从零快速变大至极大值，然后又逐渐变小直至为零的过程。

2.4.2 消力坎高度和淹没状态的关系解析

消力坎高度的变化除与下泄流量有一定关系外，消力坎高度的极大值还和下游的水流状态有关。当淹没系数为1.0，水流为自由出流时，消力坎的高度会随流量的增加而快速增高，而当淹没系数小于1.0，为淹没出流时，消力坎高度则处于下降阶段，消力坎高度会随淹没程度的增加而降低。水流当由非淹没流状态变为淹没流状态时则为消力坎高度的极大值。

2.4.3 对上述现象的原因解析

当水流起初下泄时水流较小，水流所携带的能量也非常小，所以在水流较小时采用较低的消力坎即可消耗多余的能量，当下泄水流逐渐增大时，水流所携带的能量也成正比增加，而此时的下游水深则相应的增加，而增加的水深可消耗部分增加的水流动能，但不足以抵消增加的全部水流动能，所以此时消力坎的高度会随水流的增加而增加，但并不是同下泄量成正比例增加，而是其增加量逐渐变慢的。

当下游水深增加到足以形成淹没水流，且能消耗因流量增加而增加的多余能量时，此时消力坎的计算高度则不再增加，消力坎高度达到极大值。