水闸工程设计中消能工计算问题探讨

李建国，贾冬梅

（1.安徽省水利部淮委水利科学研究院，安徽 合肥 230088；2.河海大学水文水资源学院，江苏 南京 210098）

水闸作为一种低水头泄水建筑物，被广泛应用于河道、水库、灌区等大中型水利工程枢纽。其中，消能防冲设施作为水闸工程的重要组成部分，对于保障水闸工程的安全运行具有重要意义。根据水工模型试验，利用消力池的水跃消能方式通常可消减过闸水流全部动能的40%～70%[1]，因此消力池在平原河网、水库及灌区工程中应用十分广泛。

尽管消力池的消能效果十分显著，然而在水工设计中消力池的计算却并不简单，《水闸设计规范》（SL265-2016）给出了消力池深度计算公式，但仔细分析下面公式不难发现，变量 d、hc、h”c、△Z 之间彼此耦合嵌套，难以分离，这给消能工计算带来极大困难。

1 消能工计算参数

1.1 下游水深hs

hs值取决于河床的水力特性，由于水闸下游河道通常较长，在下游水深计算中可不考虑下游蓄水建筑物对下游尾水水深的影响，按照明渠均匀流计算下游水位～流量关系，从而得到消力池末端河床水位。

1.2 由消力池底板顶面算起的总势能T0

T0表示从消力池底板顶面算起的总势能，根据闸前过水断面和收缩断面能量方程，，由消力池底板开始算起的总势能包括位置水头、压强水头、行进流速水头，其中水面与大气接触位置可认为相对压强为0，故，H为从铺盖底板算起的闸前水深。

1.3 临界水跃的跃后水深h”c

消力池中的临界水跃跃后水深h”c，可根据挖池后的收缩断面水深hc用水跃共轭水深的公式求得。但困难的是hc是根据挖池后的总水头T0求得的，而，这样就无法直接求得d值，而要用试算法进行求解[2]。

2 消能工计算程序

在明确消能工主要计算参数的基础上，进一步分析提炼消能工计算程序，具体计算程序如下：首先，假定收缩断面水深hc为已知，在此基础上根据式1.2可计算得到跃后水深h”c，根据下游河床断面尺寸利用明渠均匀流公式推求下游河床水深H和对应流量Q的相关关系，进而可得出不同下泄流量所对应的出池河床水深hs。至此，出池落差△Z值便可计算求得。在此基础上将跃后水深h”c、出池河床水深hs及出池落差△Z带入式（1），即可求得消力池计算深度d，然而d的取值是否合理必须加以判断，判断依据就是将计算得到的d代入式（3），判断等式左边是否为0，若满足则此时消力池计算深度d为正确解，若不满足条件，需重新对hc进行赋值，直到满足条件为止。在整个计算过程中为简化计算，提高迭代试算效率，可借助Excel进行公式编辑，从而快速得到消力池深度d的最优解。整个消力池计算流程如图1所示。

3 实例研究

3.1 工程概况

图1 水闸消能工计算流程图

某平原地区现有5孔节制闸一座，闸身为浆砌石结构。工程规模为中型，工程等别为Ⅲ等，单孔净宽4m，经复核，最大过闸流量为124m3/s。闸上游设计洪水位35.61m，相应下游水位35.51m。闸底板高程33m，闸底板高程32.1m，水闸下游河床为梯形断面，底宽24m，河岸边坡1∶2。

3.2 闸门开启度及孔数的确定

同一类型的闸门在运用时，不同的开启程序和不同的开启度对消能工设计要求也不一样。确定消力池深度时，闸门的初始开启高度往往是重要控制因素。根据已有研究成果，闸门初始开启高度一般取0.2～0.5m[3、4]，本项目中设计工况下闸门开启高度在0～1.7m之间为孔流，因此取闸门初始开启高度为0.2m，按每一开启高度增加0.2m直至闸门不阻水或下泄流量满足最大过闸流量为止。

按照水闸运行管理相关规定，对多孔水闸来说，一般先开启中间孔，然后对称开启后启孔[5]。本文以1孔、3孔、5孔同步分档开启进行研究，但考虑到文章篇幅限制，且不同开启方案计算过程相近，故本文只以5孔同步分档开启为例进行讨论。

3.3 结果讨论

根据闸门不同开启度计算闸孔过流能力，计算公式，结合下游河床断面尺寸，采用明渠均匀流公式试算下游河道水深h’s，计算结果见表1。根据图1所示消力池计算流程，输入hc进行试算，使得等式1.3右边无限接近于0，此时迭代结束，计算结果见表2。

由图2不同开度下水闸出水池河床水深hs及跃后水深h”c不难看出，设计工况下，随着闸门开度的增大，出水池河床水深hs及跃后水深h”c呈逐渐增大的趋势，但总体上出水池河床水深hs大于跃后水深h”c，表现为出池落差△Z＜0，此时在消力池内将发生淹没水跃，理论上来讲，不需要设置消力池，而消力池计算深度d在不同开度下均表现为负值，也进一步表明设计工况下不需要设消力池。由于本项目主要是对水闸进行安全鉴定评价，因此综合评价结论为：该闸消能防冲满足规范要求。

水闸下游河床水深～流量试算表 表1

水闸消力池深度计算表 表2

图2 不同开度下水闸出池水深hs及跃后水深h”c

4 结论

本文通过对水闸设计中消力池计算问题进行探讨，梳理了公式中不同计算参数的确定方法，提出了一套系统的消力池计算流程，并以平原区某节制闸为例，在合理确定闸门开启度的基础上，分析计算了所需消力池深度。结果表明：不同开启度下，下游河床出水池水深均大于跃后水深，即出池落差△Z＜0，此时消力池计算深度d＜0，消力池内将发生淹没水跃，不需要设置消力池即能满足水闸消能防冲要求。