一种低水头水闸下游消力池建造方法

摘要

本发明公开了一种低水头水闸下游消力池建造方法，根据水闸闸门全开敞泄或水闸上游为正常蓄水位时，区分不同情况对水闸下游消力池长度进行计算。本发明方法根据水闸闸门全开敞泄或水闸上游为正常蓄水位的不同情况对水闸下游消力池长度进行计算，避免了现有技术中只按照水闸最大泄洪流量计算的消力池导致计算的长度明显偏大，从而避免造成工程量增加和投资的浪费。本发明作为一种低水头水闸下游消力池建造方法，可广泛应用于水利工程领域。

说明书

技术领域

本发明涉及水利工程领域，尤其是一种低水头水闸下游消力池建造方法。

背景技术

通常，在河道上修建的拦河水闸工程，其上、下游水位差一般较小，即水头较低。低水头水闸运行的特点为泄洪流量大、水位差较小，其泄洪消能多采用底流消能方式。由《水闸设计规范》(SL265)有关的消力池计算公式分析，消力池长度L_sj随消力池跃后水深h₂与消力池进口收缩断面水深h₁(即跃前水深)的差值(h₂-h₁)增大而增加，而消力池进口收缩断面水深h₁、跃后水深h₂以及其差值(h₂-h₁)等随水闸的泄洪流量增加而增大，因此，消力池长度随水闸泄洪流量增加而增大，其通常可由水闸最大泄洪流量来确定，如图1所示。

对于平原地区河流或闸上、下水位差较小的水闸，在水闸最大泄洪流量泄流条件下，其上、下游水位差较小(如《水闸设计规范》(SL265)规定，一般情况下，平原区水闸的过闸水位差可采用0.1～0.3m)，出闸水流多呈波状的明渠流流态，闸下游消力池无水跃产生。此时，根据现有设计方法按水闸最大泄洪流量计算的消力池长度会明显偏大，造成工程量增加和投资的浪费。

水闸下游消力池运行的水力条件和流态等较复杂，水闸泄流调控运行可分为两种方式：一是在水闸上游为正常蓄水位条件下，保持水闸上游水位为正常蓄水位，水闸闸门局部开启、控泄运行，此运行方式水闸上、下游水位差相对较大，如图2所示；二是当上游洪水来流量较大时，若仍保持水闸上游为正常蓄水位、水闸闸门局部开启控泄的运行方式，无法满足水闸泄洪的要求，因此，水闸闸门需全部开启敞开泄洪，以确保工程的安全运行，此运行方式水闸上、下游水位差相对较小，如图1所示。

通常，在给定的水闸泄流水力参数的条件下，根据工程的具体条件，可先计算和确定水闸下游消力池的池末端尾坎顶高程、池深等，然后再计算和确定消力池的长度。目前，水闸下游消力池池末端尾坎顶高程、池深等的计算和确定的方法相对较成熟，其可参考相关的文献，但没有针对消力池长度合理性的研究成果，因此在实际建造过程中难以避免多余的工程量和投资的浪费。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的是：提供一种保证安全性能、减少工程量的低水头水闸下游消力池建造方法。

本发明所采用的技术方案是：一种低水头水闸下游消力池建造方法，包括有以下步骤：

A、计算水闸渲泄最大洪水流量、闸门全开敞泄的闸室堰顶上游水头H和以闸室堰顶起算的下游水深h_s；

B、若水闸闸门全开敞泄、最大泄洪流量的h_s/H≥0.8时，采用步骤D的计算方法计算水闸下游消力池长度；

C、若水闸闸门全开敞泄、最大泄洪流量的h_s/H＜0.8时，根据现有设计规范计算水闸下游消力池长度；

D、在水闸上游为正常蓄水位条件下，根据水闸闸门控泄的各级开度e计算水闸下游消力池长度，并以计算的下游消力池长度最大值，选取为水闸下游消力池长度；

E、根据上述计算得到的水闸下游消力池长度建造水闸下游消力池。

进一步，所述步骤D中的水闸闸门控泄的各级开度e对应的水闸下游河道水位为低一级闸门开度泄流稳定之后的水闸下游河道水位。

进一步，所述步骤D计算过程中的水跃长度校正系数β取1.0。

本发明的有益效果是：本发明方法根据水闸闸门全开敞泄或水闸上游为正常蓄水位的不同情况对水闸下游消力池长度进行计算，避免了现有技术中只按照水闸最大泄洪流量计算的消力池导致计算的长度明显偏大，从而避免造成工程量增加和投资的浪费；同时，采用对计算过程中安全系数的选取，保证建造的水闸下游消力池的安全运行。

附图说明

图1为水闸闸门全开泄流下游消力池体型和水力参数示意图；

图2为正常蓄水位条件下、闸门局部开启控泄下游消力池体型和水力参数示意图；

图3为本发明方法步骤流程图；

图4为本发明具体实施例中水闸闸门全开运行时下游消力池流态和流速分布示意图；

图5为本发明具体实施例中闸门局部开启、控泄运行时下游消力池流态和流速分布示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：

参照图1和图2，说明拦河闸下游消力池体型和水力各参数：

根据《水闸设计规范》(SL 265)等，通常采用下列公式计算拦河闸下游消力池的水力参数和体型参数：

消力池进口收缩断面水深h₁

跃后水深h₂

池深d d＝σ₀h₂-h_t-ΔZ>

池长L_sj>sj＝L_s+βL_j(5)

L_j＝6.9(h₂-h₁)(6)

式中，q为拦河闸泄流单宽流量；E₀为以消力池底板为基准计算的总水头；φ为流速系数；g为重力加速度；α为水流动能校正系数，可采用1.0～1.05；b₁为消力池首端宽度；b₂为消力池末端宽度；σ₀为水跃淹没系数，可采用1.05～1.1；h_t为消力池下游河床水深；ΔZ为消力池末端出口水面落差；ω为消力池出口段流速系数，可取0.95；L_sj为消力池长度；L_s为消力池斜坡段水平投影长度；L_j为水跃长度；β为水跃长度校正系数，通常取0.7～0.8。

按照上述公式(1)～(6)，在工程设计中，在已知拦河闸泄流单宽流量q、闸上游水位Z、闸下游水位Z_t与流量q关系等水力参数以及消力池水平段池底板顶高程、池末端尾坎顶高程确定的条件下，就可以计算出消力池底板总水头E₀、消力池的水跃参数，其中消力池的水跃参数包括有消力池进口收缩断面水深h₁、跃后水深h₂及水跃长度L_j等，从而可进一步计算出消力池长度L_sj。消力池长度L_sj随消力池跃后水深h₂与跃前水深h₁的差值(h₂-h₁)增大而增加，而跃前水深h₁、跃后水深h₂以及其差值(h₂-h₁)等随水闸的泄流量增加而增大，因此，消力池长度随水闸泄洪流量增加而增大，其通常可由水闸最大泄洪流量来确定。

对于平原地区河流或闸上、下水位差较小的水闸，在水闸最大泄洪流量泄流时，其上、下游水位差较小，如一般情况下，平原区水闸的过闸水位差可采用0.1～0.3m，，出闸水流多呈波状的明渠流流态，闸下游消力池无水跃产生。此时，按水闸最大泄洪流量计算的消力池长度会明显偏大，造成工程量增加和投资浪费。

通常，水闸泄流调控运行有两种方式：一是在水闸上游为正常蓄水位条件下，保持水闸上游为正常蓄水位，水闸闸门局部开启、控泄运行，此运行方式水闸上、下游水位差相对较大；二是当上游洪水来流量较大，若仍保持水闸上游为正常蓄水位、水闸闸门局部开启运行时，则无法满足泄洪的要求，因此，水闸闸门需全部开启敞泄，以确保工程的安全运行，此运行方式的水闸上、下游水位差相对较小。这两种运行方式的水闸下游出流流态是有差异的。

因此参照图3，本发明一种低水头水闸下游消力池建造方法，包括有以下步骤：

A、计算水闸渲泄最大洪水流量、闸门全开敞泄的闸室堰顶上游水头H和以闸室堰顶起算的下游水深h_s；H为水闸上游水位Z与水闸闸室堰顶高程Z₀的差，h_s为水闸下游水位Z_t与水闸闸室堰顶高程Z₀的差；

B、若水闸闸门全开敞泄、最大泄洪流量的h_s/H≥0.8时，出闸水流为临界淹没出流或淹没出流状态，水闸下游水跃长度较短或为无水跃状态；此时采用步骤D的计算方法计算水闸下游消力池长度；

C、若水闸闸门全开敞泄、最大泄洪流量的h_s/H＜0.8时，根据现有设计规范计算水闸下游消力池长度，即根据上述公式(1)～(6)进行计算；

D、在水闸上游为正常蓄水位条件下，根据水闸闸门控泄的各级开度e计算水闸下游消力池长度，并以计算的下游消力池长度最大值，选取为水闸下游消力池长度。

水力学中的平底堰的闸孔出流和堰流判别界限为：

e/H≤0.65，为闸孔出流；

e/H＞0.65，为堰流，即闸门对出流不起作用，相当于闸门全开运行。

式中，e为闸门开度；H为闸室堰顶上游水头。

因此，在上游为正常蓄水位条件下，控泄的最大闸门开度e_m相对于e/H≤0.65条件下的最大闸门开度；下游消力池长度最大值通常由控泄的最大闸门开度e_m来确定。

消力池长度的具体计算方法为：根据闸门的各级开度e₁～e_m，按照有关的水力学计算公式，计算出各级开度e的泄流单宽流量q，以及以高程为Z₁的消力池底板到上游正常蓄水位Z的总水头E₀等数据，然后根据现有设计规范计算各级开度e对应的水闸下游消力池长度，即根据上述公式(1)～(6)进行计算，从而避免闸门最大开度e_m选取方法不同和差异带来的计算下游消力池长度最大值的误差。

正常蓄水位条件下，上述各级开度e的闸孔泄流单宽流量q计算公式为：

式中，q为闸孔泄流单宽流量，m³/(s·m)；

μ为闸孔自由出流流量系数，由闸室底坎的形式、闸门类型和闸门相对开度e/H等因素确定；

σ_s为闸孔出流的淹没系数，由闸门相对开度e/H、相对水位差

(Z-Z_t)/H等因素确定；如图2所示，Z为上游水位，Z_t为下游水位；

e为闸门开度；

g为重力加速度；

H₀＝H+V₀²/2g为闸室堰顶总水头，V₀为闸室上游平均流速。

E、根据上述计算得到的水闸下游消力池长度建造水闸下游消力池。

参照图4，作为本发明的具体实施例，高岭拦河闸重建工程水闸下游消力池推荐方案宣泄最大泄洪流量——校核洪水流量(P＝0.5％，闸孔泄流单宽流量q＝23.99m³/(s·m))、不同的闸下游河道水位Z_t

的水力模型试验的流态和流速分布图，其水力参数见下表1。

表1高岭水闸及消力池水力参数*

*注：表格中H为水闸上游水位Z与水闸闸室堰顶高程Z₀的差，h_t为水闸下游水位Z_t与消力池末端尾坎顶高程Z₂的差，d为消力池池深，h_s为水闸下游水位Z_t与水闸闸室堰顶高程Z₀的差。

参照表1和图4可总结出以下试验结果：

第一，当闸下游河道水位Z_t较低，Z_t＝5.0～6.0m；下游水深(h_t+d)＜h₂时，出闸水流呈急流撞击消力池末端尾坎，急速涌高后再跌向下游海漫，或者消力池内水跃极不稳定，波动剧烈，见表1和图4(a)～(b)。

第二，随着闸下游水位逐渐上升，Z_t＝7.0～8.0m；当下游水深(h_t+d)＞0.9h₂、且h_s/H＜0.8时(出闸水流为自由出流，H为闸室堰面的上游水头，h_s为闸室堰面算起的下游水深)，消力池内逐渐形成稳定的水跃，池内水跃长度随h_s/H增加而减小，即池内跃尾断面随h_s/H增加往上游移动，见表1和图4(c)～(d)。

第三，当闸下游相对水深h_s/H＝0.8，Z_t＝8.5m；出闸水流为自由出流和淹没出流的临界状态，池内跃尾断面位于约桩号0+053断面。随着Z_t值继续增加，池内水跃长度减短，跃尾断面往上游移动，见表1和图4(e)。

第四，当闸下游水位上升至Z_t＝9.0～10.0m，h_s/H＝0.87～0.98；消力池内基本无水跃，呈波状的明渠流流态；受水闸闸室平底堰的影响，其下游消力池上游段底部出现局部回流区，主流在消力池水流的上部，见表1和图4(f)～(g)。

因此，高岭水闸在泄放校核洪水频率流量运行条件下(即P＝0.5％、q＝23.99m³/(s·m)、Z_t＝14.16m)，水闸上、下游水位差△Z＜0.1m，出闸水流无水跃产生，闸下游呈波状的明渠流。

如图5所示，在水闸上游为正常蓄水位Z＝8.2m、闸门最大开度e_m＝0.75m的泄流运行工况下，消力池水跃跃尾断面桩号约0+058，比水闸泄放校核洪水频率流量P＝0.5％、闸下游水位Z_t＝8.5m(h_s/H＝0.8)相应的水跃长度要长，见图4(e)。

进一步作为优选的实施方式，为了确保水闸下游消力池的安全运行，所述步骤D中的水闸闸门控泄各级开度e对应的水闸下游河道水位Z_t为低一级闸门开度泄流稳定之后的水闸下游河道水位；例如高岭水闸在水闸上游正常蓄水位运行条件下，水闸闸门控泄的每一级闸门增加的开度设置为△e＝0.25m，则第一级开度e₁＝0.25m运行对应的闸下游河道水位Z_t为下游河道初始水位(即水闸泄流量q＝0对应的下游水位)，第二级开度e₁＝0.5m运行对应的闸下游河道水位Z_t为第一级开度e₁＝0.25m泄流稳定后的下游河道水位，闸门控泄最大开度e_m＝0.75m运行对应的闸下游河道水位为闸门开度e＝0.5m泄流稳定后的下游河道水位。

同时，为了确保工程的安全运行，进一步作为优选的实施方式，所述步骤D计算过程中的水跃长度校正系数β取1.0，而非通常采用的0.7～0.8。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可以作出种种的等同变换或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。