论“突扩式”消力池水力设计

2023-09-16徐立君

湖南水利水电 2023年3期

徐立君

（湖南水利水电职业技术学院，湖南长沙 410131）

1 概述

一般来说，常规底流消能消力池（图1）采用稳定水跃消能，效率高，流态稳，较其他挑流、面流、戽流等消能工更能保证相关水利水电工程泄水建筑物下流的消能防冲安全，但是在以下情况下：①当建设常规（二维）消力池的地形条件受限时，如河道两岸堤防和平原湖区围堤的穿堤泄水（洪）涵闸工程，由于其承泄区的河道或洪道的地势低，地域上多不能满足常规（二维）沿程等宽的跃后水位甚高的消力池的布置要求；②当消力池下游河道的水文水力条件不利时，如土石坝水库溢洪道水流从深挖的窄泄槽向宽浅尾水渠急剧过渡的情况；③当受其他经济和运行条件限制时，如常规（二维）消力池不能过于深挖等。突变扩宽式消力池（简称“突扩式”消力池）（图2）的消能效果和工程建设的安全可靠性以及经济合理性就明显占优了。

图1 常规底流消能消力池

图2 “突扩式”消力池

图3 “突扩式”消力池共轭水深比与消力池进口设计佛汝德数的函数关系图

“突扩式”消力池的水力设计计算参考资料甚缺，即使21 世纪新版的水力计算手册[1]，也没有列出“突扩式”消力池的相关水力设计计算方法和参数。只有长江水利水电科学研究院等单位合编的“泄水建筑下游的消能防冲问题”[2]，载有从其参考文献上摘录的“突扩式”消力池水跃计算和工程实例的相关水力参数。

2 消力池消能水跃方程[2]

2.1 平底矩形水槽内的（二维）自由水跃方程（佛郎格方程）

该方程又常被称为常规消力池平面水跃方程，其表达式为：

式中 nb——常规（净宽为b）消力池（二维）共轭水深之比；

y1b，y2b——分别为常规（二维）水跃跃前和跃后水深；

Fr1——常规水跃跃前进口断面急流的佛汝德数。

2.2 空间“突扩式”（三维）消力池水跃方程[2]（赫布拉德～克拉斯方程）（简称“赫～布”方程）

“赫～布”方程利用图2 建立动量方程并经若干简化后得：

y1b，y2B——分别为“突扩式”（三维）消力池水跃的跃前和跃后水深；

nB——“突扩式”（三维）消力池水跃共轭水深之比；

β——“突扩式”（三维）消力池进口宽度（b）与池宽（B）之比。

“赫～布”推荐简化式（2）为“突扩式”消力池设计计算方程。

2.3 空间“突扩式”（三维）空间水跃计算库斯列佐经验公式[2]

3 “突扩式”消力池工程实例[2]及其水力特性分析

参考文献[2]中罗列的5 处“突扩式”消力池的工程实例，尽管都是作者“赫～布”收集的资料，但按水力计算分析的要求，仍颇具代表性，有利于本文对其进行分析和讨论。此5 处工程名称分别为：①Wondred（Wond.），②Kardamakis（Kar.），③Eixendorf（Eixen.），④Mauthaus（Mau.），⑤langenprozelten（Lang.）。