浅析水闸设计中影响消力池设计尺寸的关键因素

２０１２年．６月　第２期　．河北工程　ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ　ＡＮＤ　ＴＥＣＨＮＩ技术高等专科学ＣＡＬ　ＣＯＬＬＥＧＥ　校学报　ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＨＥＢＥＩＪｕｎ．２０ｌ２　ＮＯ．２　文章编号：１ＯＯ８—３７８２（２０１２）０２一ＯＯ２４一Ｏ３　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　０６１０００）　（河北省南运河河务管理处，河北沧州摘要：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。　关键词：消力池；水跃；跃后水深；下游尾水位　中图分类号：ＴＶ６５３　．１　文献标识码：Ａ　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　和＾，，ｃ水跃的跃后水深的相对关系。所以，ｈ　和＾，，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　。和　跃后水深的相对关系对消力池尺寸计算的影响。　１　，，ｃ一　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一　×＾，，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　值，　则由图１可知：ｈＴ－－ｄ＋＾　。＋　的值较小，可略去不计得到粗略估算池深　的近似公式：　ｄ＝　×＾　一ｈ　（Ｉ）　式中，ｄ为消力池深，ｍ；　为淹没系数；＾’　为水跃　跃后水深，ｍ；＾　为下游尾水深，ｍ；　由式（１）可以看出，池深随（　—ｈ　）的增大　而增加。相当于（＾，，ｃ—ｈ　。）为最大时，求得的池　收稿日期：２０１２—０５—０９　图１消力池深度计算示意图　作者简介：程琳（１９８２一），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。　第２期　程琳等：浅析水闸设计中影响消力池设计尺寸的关键因素　２５　深ｄ为所需消力池的最大深度。那么实际计算中池深ｄ和（＾，，ｃ一＾　）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　ｍ。／ｓ时，捷地新建泄洪闸分流１８０　ｍ。／ｓ。闸为３孔，每孔宽４．４　ｍ。下游河道的　表１水位流量关系表　水位流量关系如表１所示。　２　ｈ　／ｈ　，ｃ对池长计算的影响　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　与跃后水深　，，ｃ之间也在不断发生变化，当＾　。　，，ｃ≤１　时，将发生自由水跃，而＾　／ｈ＂　＞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＝Ｆ自由水跃长度。而消力　池长度决定于水跃长度厶，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＂ｏ的大小影响消力池长度的设计。而实际　水位／ｍ　下游水深／ｍ流量Ｑ／（ｍ・Ｓ　）　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，厶一６．９　，，ｃ－－ｈ　）与规范相同；淹没水跃　长度Ｌｊ＝（４．９ｓ＋６．１）＾，，ｃ，其中，淹没度ｓ一（＾　。－－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　。与跃后水深＾ｒ『ｃ之间的相对大小　／ｈ＂ｏ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＾　／　，，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，　＆＆ｏ；如　对水闸安全最有利的消力池设计长度。　％　明　ｕ　叽　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。　，　１＾　ｎ　３　３　４　４　∞娼　他　表２消力池池深、池长计算表　ｏ∞∞∞；２　ｍ　ｍ　由表２中可以看出，ｄ随（　，，ｃ一＾　。）增大而变大，而（＾，，ｃ—ｈ　。）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一７ＡＨｑ，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（＾，，ｃ一＾　）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＾ｒ，ｃ，并与对应流量下的　下游尾水深ｈ　进行比较，选取（＾　一＾　，）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　。和水跃的跃后水深ｈ　的相对关系对消力池池深、池长的计算有直接　２６　河北工程技术高等专科学校学报　ｇＯ１２　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～＾ｒ，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。　参考文献　［１］陈宝华，张世儒．水闸［Ｍ－Ｉ．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口］．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．　［４３　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．　Ｔｈｅ　Ｋｅｙ　Ｆａｃｔｏｒｓ　Ａｆｆｅｃｔｉｎｇ　ｔｈｅ　Ｓｉｚｅ　ｏｆ　Ｓｔｉｌ　ｌ　ｉｎｇ　Ｂａｓｉｎ　ｉｎ　Ｓｌｕｉｃｅ　Ｄｅｓｉｇｎ　ＣＨＥＮＧ　Ｌｉｎ，ＺＨＡＮＧ　Ｙｕａｎ—ｙｕａｎ，ＬＩ　Ｙａｎ　（Ｈｅｂｅｉ　Ｓｏｕｔｈ　Ｃａｎａｌ　Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　Ｏｆｆｉｃｅ，０６１０００，Ｃａｎｇｚｈｏｕ，Ｈｅｈｅｉ，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：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　ｏｎ—　ｌｙ　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．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｓｔｉｌｌｉｎｇ　ｂａｓｉｎ；ｈｙｄｒａｕｌｉｃ　ｊｕｍｐ；ｓｅｑｕｅｎｔ　ｄｅｐｔｈ　ｏｆ　ｈｙｄｒａｕｌｉｃ　ｊｕｍｐ；ｄｏｗｎｓｔｒｅａｍ　ｗａｔｅｒ　ｌｅｖｅｌ　（责任编辑：郭书俊）