平原地区中小型涵闸下游消能工计算中的问题初探

2022-09-20张若玉

治淮 2022年9期

关键词：水深闸门开度

张若玉

（安徽省大禹水利工程科技有限公司蚌埠 233000）

现设计工程消能工型式大多采用综合式消力池，综合式消力池是一种常用的既有挖深又筑有低坎的消力池型式，具有挖深式和尾坎式消力池的优点，本文就综合式消力池设计中的有关问题作探讨。

1 消能控制条件的确定

1.1 消力池末端水深hs

在恶劣放水时，涵闸上游水位是确定的，下游水深随下泄流量而变化，计算hs时分为两种情况：（1）涵闸下游河道较长，即消力池末端距下一级建筑物或河口较远，hs应由下游河道断面按明渠均匀流确定其水位流量关系，即取hs=h0（h0为明渠均匀流正常水深）；（2）下流河道较短，即消力池末端距控制断面或河口较近，应以控制断面或天然河道口处水位为控制水位，通过推求水面曲线的方法确定hs。由于河道的实际比降一般皆小于临界比降，故下游河道中形成b1型降水水面曲线。当控制水深大于临界水深hs时，取控制水深向上游推算hk，当控制水深小于hk时，取hk向上游推算hs。

1.2 消能控制条件

在恶劣放水时，最大下泄流量往往并非消能控制流量，三孔及三孔以上涵闸往往出现该情况，这就需要计算开启不同孔数、不同开度下一系列（hc"-hs）值，计算时初取池深为零，在所选开启孔数下，每给一个开度e，利用闸孔出流公式求出一个下泄流量，继而求出跃前水深hc，跃后水深hc"及hs，相应得到（hc"-hs），该值出现最大值时的开启孔数及开度即为消能控制条件。

闸门的开启方案与消能防冲设施的设计既相互联系，又相互制约。在满足安全泄流的条件下，既要便于运用管理，又要节省投资。从节约投资看，消力池要做得浅一些和短一些，但如下泄小流量也要求所有闸门齐步均匀开启，就会给涵闸运用管理带来困难。在实际运用中，闸门操作常受启闭设备性能、管理操作人员水平及工作条件的限制，并不都能做到各孔闸门均匀齐步开启。另一方面，如果在任意闸门开度和孔数条件下（如多孔涵闸在较低泄流尾水位时开启较少孔数）都要求下泄水流在池中形成淹没水跃，将大大提高消力池及下游防护工程造价。因此，在进行消能工设计时，必须结合闸门运用管理方案一并考虑，合理地规定启闭组合方式和操作程序，既要给管理人员留有一定的选择余地，也不要人为地给消能设施造成不必要的浪费。中、小型涵闸原则上应最先开启中间闸孔，然后对称、间隔地按同一开度，逐次开启两侧的闸孔，待全部闸门开至同一开度后，再按同样方法，开启下一档高度。

1.3 单宽流量的选定

在消能计算中，收缩断面处单宽流量q，直接影响到池深、池长及坎高的计算结果。由于涵闸一般为低水头建筑物，池深一般在1.0～3.0m，且与闸身之间的连接直接采用斜坡段连接。由于水跃的起点控制在斜坡段坡脚处，q 也即坡脚处的单宽流量，因水流流经此处时已有扩散，q 的确定就主要取决于该处过水断面宽度B。

B=kb+（k-1）δ

式中：

b—单孔宽度；

δ—中墩厚度；

k—全部孔数；

B—消力始端过水宽度。

上述计算因对水流扩散性能难以作准确的考虑，结果较为粗略。

实验表明，消力池中水流速较大，扩散较小，当下游翼墙扩散角θ 较大时（如大于10°），扩散段中水流就有可能扩散不佳，致使侧壁处产生回流从而迫使水流折冲侧壁形成折冲水流，笔者认为水流在池中的扩散以按7°～10°考虑为妥，根据初步估算的池深，定出斜坡段长度Ls，则B=kb+（k-1）δ+2Lstgθ。由于水流在扩散时受到两侧翼墙的边界约束作用，计算中按下游翼墙扩散角取用θ 值。

在计算消力池过坎落差及坎高时，要用到水流经坎顶处的单宽流量q，确定此处过水断面宽度，亦可按上述B 的算法类似考虑。

1.4 闸门初始开度e0 确定

除了最大下泄流量或中间某一流量控制池深外，e0往往也是确定池深的控制因素。尤其在涵闸下游为明渠均匀流的情况下，随着开度e 的加大，下游水深随之加大，极易满足淹没条件，此时消能控制条件直接取决于e0；一般情况下，当闸门开度e0＜0.1H0（H0为门前总水头），门体易发生振动，故应使e0≥0.1H0；当闸门开度为门前（0.45～0.5）H0时，门前将出现剧烈的立轴漩涡和吸气漏斗，出闸水流不稳定，也容易引起门体振动；在开启闸门时，一定要避免上述两种情况。

2 消力坎高c 及池深d 的确定

综合式消力池的计算可分两步进行，先按0.1～0.3 倍的下游水深拟定坎高，然后再按挖深式消力池的计算确定消力池的深度。

2.1 消力坎高c 的确定

消能控制条件确定后，控制流量及消力坎处相应单宽流量q 已知，将所选用的坎后水深hc"作为坎后水跃的跃后水深，可求出坎后收缩断面水深、坎顶及坎前总水头，相应便能确定出c 值。采用时应把求得的c 值稍降低一下，以使坎后水跃处于淹没状态。

设计的消力池坎高，应尽可能满足以下两个要求，一是坎顶下游水深与上游壅高水深的比值≤0.85～0.9，使坎后形成较为平顺的水面衔接；二是坎顶高出闸室堰顶的数值，宜控制在0.05 倍闸上游水位以内，以免影响水闸的泄水能力。

2.2 消力池池深d 的确定

由于在开门过程中过闸流量是随时变化的，下游河道中流属于非稳定流，而hs的确定是以稳定流为前提的，与实际情况有所差别。为安全起见，闸下水位hs可考虑回水滞后因素影响，取前一档开度下的hs来计算较稳妥。

消力池池深d 应满足下列条件（图1）：

图1 消力池深度计算示意图

式中：

d—消力池深度；

σ0—水跃淹没系数，可采用1.05～1.1；

hc—收缩水深；

hc" —跃后水深；

a—水流动能校正系数，可采用1.0～1.05；

q—过闸单宽流量；

b1—消力池首端宽度；

b2—消力池末端宽度；

T0—消力池底板顶面算起的总势能；

△z—出池落差；

hs—出池河床水深；

φ—流速系数，一般取0.95。

分析以上公式可见，变量d、hc、hc"、△z 之间彼此耦合嵌套，难以分离，具体计算为当坎高确定后，池深d 可采用试算法求出；初次试算时可按d1=σ0hc"-hs拟定，其中hc"是未设消力池前的跃后水深。求得d1值后，先算出设池以后的T0、hc"及△z 诸值，再代入公式（1），反算水跃淹没系数σ0，如能满足σ0=1.05～1.1 的条件，说明池中水跃稍有淹没，池深合理，否则还应继续进行试算，直到满足条件为止。

3 实例说明

某3 孔闸，单孔宽度3.0m，中墩厚0.8m，消力池首端宽度b1为10.6m，末端宽度b2为15m，下游河道底宽15m、比降1/5000，闸址距河口5km，恶劣放水时闸上水深3.5m，上下游河底高差0.25m，闸下水深0.5m，最大下泄流量98.25m3/s，其消能控制运用条件确定如下。

3.1 闸门开度与池深关系确定

为避免闸门因开度过小而振动及闸前出现漩涡、漏斗，取初始开度0.4m，略大于0.1H0=0.36m，最大开度1.5m，略小于0.45H0=1.60m。由于消力池末端距河口很远，计算时取h0=hs（正常水深），σ0取1.05。初始池深为零时的计算结果如表1（仅列出有代表意义的）所示。

表1 不同开度及闸孔开启数对应表

在开启两孔或三孔时，初始开度为0.4m，此时（σ0hc"-hs）较小；然而开启一孔时，随着开度的增加，（σ0hc"-hs）随之增大，当e=1.1m 时，（σ0hc" -hs）达到最大值0.67m，再增大开度，（σ0hc" -hs）随之又下降，若以初始开度e0为控制，所需池深较小，但在开启一孔，开度较大的条件下却不能产生淹没式水跃；从安全考虑、以开启一孔下产生（hc"-hs）最大值时作为控制条件，所求池深能够满足任何开启孔数下都能产生淹没式水跃，且池深又不很大。

3.2 消力坎高c 及池深d 的确定

按上述计算原则，该例坎高设计0.15m ,经核算不影响水闸的泄流能力、且hn/H1=0.85，坎后流态亦较平顺，说明坎高确定是合理的。

本着安全运行、降低工程造价、不浪费的原则，对于本例设计以开一孔开度e 为1.1m 作为控制条件求池深，初步拟定池深为0.6m，利用前述公式（2）、（3）、（4），通过试算求得hc"=1.38m，△z=0.075m；为安全起见，闸下水位hs可考虑回水滞后因素影响，取前一档开度下的hs来计算，这样比较稳妥。计算如下：

σ0=（d+hs+△z）/hc"=（0.6+0.78+0.075）/1.38=1.06

满足σ0=1.05～1.1 的条件，池深设计合理。

3.3 关于池长计算的问题

水跃长度Lj=6.9（hc" -hc）

消力池长度Lsj=Ls+β·Lj

式中：

Lsj—消力池斜坡段投影长度；

β—水跃长度校正系数，β=0.7～0.8。

由以上两式可见，决定池长的因素为（hc"-hc），而决定池深的因素为（hc"-hs），两者并不取决于同一条件。有人用控制池深的条件（hc"-hs）值来求池长，往往容易混淆概念，尤其是闸门初始开度或较小流量控制池深时，这样计算将出现较大误差，随着闸门的开度增大，单宽流量亦增大，（hc"-hc）也随之增大，即控制池长的条件为闸门的最大开度。对于多孔涵闸，在开起时最大开度又受最大流量的限制，故开启不同的孔数时所受的限制最大开度是不一样的，应取各种孔数开启时的最大开度来计算（hc"-hc），从而求出池长。

以上例某三孔闸来说明，该闸一孔时最大开度较小不控制池长，池深最终确定为0.6m，在该池深下恶劣放水时计算结果如表2 所示。