馮建江，陳海雄

（浙江水利水電?？茖W(xué)校，310018，杭州）

水閘是水利樞紐工程重要的組成部分之一，它是既能擋水又能泄水的低水頭水工建筑物，在防洪、灌溉、排水、航運(yùn)、發(fā)電等水利工程中應(yīng)用十分廣泛。水閘的消能一般采用底流式（水躍）消能，但是，低水頭水工建筑物的水力學(xué)問(wèn)題往往是佛汝德數(shù)低、水躍的消能效果較差。研究表明，利用水躍消能，當(dāng)佛汝德數(shù)Fr小于4.5 h時(shí)，消能率一般為20%～40%。由于消能工的消能率較低，大量的能量被水流攜帶到下游，下游水流紊動(dòng)劇烈，在洪水期泄流時(shí)，閘下水流對(duì)下游河床及兩岸的沖刷常有發(fā)生，甚至危及建筑物的安全。因此，對(duì)閘后水流如何有效地消除水流能量進(jìn)行分析研究顯得非常重要。本文通過(guò)合理確定消力池的設(shè)計(jì)工況、增加輔助消能工、建復(fù)式消力池的方法進(jìn)行分析研究。

一、水躍消能的基本原理

由紊流力學(xué)可知，在紊流動(dòng)能平衡方程式中通過(guò)量階比較可以得到紊動(dòng)能量耗散項(xiàng)的關(guān)系：

式中，εr為紊動(dòng)能量的耗散項(xiàng)，u′為水流的脈動(dòng)流速，λg為微小渦旋的平均尺度。由此項(xiàng)可知，在水流消能防沖設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡可能增大消力池內(nèi)水流的紊動(dòng)，增大水流能量的耗散，而水躍正是具有強(qiáng)力的水流紊動(dòng)特征。它一般由兩部分組成，即表面漩滾區(qū)和底部主流區(qū)。它可以從三個(gè)方面消能：①表面漩滾區(qū)內(nèi)，有大量的漩渦產(chǎn)生，摻氣的水質(zhì)點(diǎn)作無(wú)規(guī)則的旋轉(zhuǎn)并伴隨著劇烈的紊流和碰撞，從而消耗了部分水能；②底部主流區(qū)水流急劇擴(kuò)散，斷面流速分布隨之發(fā)生結(jié)構(gòu)性調(diào)整，達(dá)到消能的目的；③表面漩滾區(qū)和底部主流區(qū)交界面處由于流速梯度很大，且水質(zhì)點(diǎn)相互混摻，產(chǎn)生了動(dòng)量傳遞，把主流區(qū)能量進(jìn)一步帶到漩滾區(qū)進(jìn)行消能。從水躍消能的原理知，水躍消能目的是要使水質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生強(qiáng)烈紊動(dòng)。

二、提高水閘消能效果的常用工程措施

泄水建筑物消能的工程措施較多，但水閘一般采用底流式消能。底流式（水躍）消能的消能結(jié)構(gòu)措施常有：挖深式消力池、消力坎式消力池、混合式消力池及輔助消能工。由于水閘是低水頭水工建筑物，對(duì)于單一形式的消力池消能效果往往較差，因此必須采取有效的消能措施來(lái)提高消能率。主要從合理確定消力池設(shè)計(jì)工況和增加輔助消能工方面來(lái)提高水閘的消能率。

1.合理確定消力池設(shè)計(jì)工況

消力池是底流式（水躍）消能常用的消能工，對(duì)于中小型水閘工程，一般較多采用單一形式的消力池，通過(guò)水力計(jì)算可確定它的池深及池長(zhǎng)，使得在不同的工況下能夠保證池中產(chǎn)生淹沒式水躍，達(dá)到更好的消能目的。因此，設(shè)計(jì)消力池時(shí)必須選擇不同的工況進(jìn)行計(jì)算，最終確定池深及池長(zhǎng)。結(jié)合工程實(shí)例，對(duì)陸中灣水閘消能水力計(jì)算進(jìn)行分析。

（1）陸中灣水閘消能設(shè)計(jì)工況（見表1）

（2）陸中灣水閘消能計(jì)算成果

根據(jù)現(xiàn)行 《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》，用Excel軟件分析得到陸中灣水閘消能計(jì)算成果（見表2）。下游水位1.5 m是指水閘外海多年平均低潮位，水閘消能計(jì)算時(shí)消力池末端水深根據(jù)外海多年平均低潮位1.5 m及相對(duì)應(yīng)的流量推求得到。最終確定陸中灣水閘消力池深度為1.5 m，池長(zhǎng)為11 m（水平段，不包括斜坡段），能保證在不同工況下消力池內(nèi)都能產(chǎn)生淹沒式水躍，而不是遠(yuǎn)離式或臨界式水躍，從而達(dá)到相對(duì)理想的消能效果。由計(jì)算知，在各種工況下，消能率的變化范圍是19.1%～54.8%。

2.增加輔助消能工

從單一消力池的水閘消能情況分析結(jié)果看，消能率比較低，使得出池水流具有較大的動(dòng)能，會(huì)造成下游河床及兩岸的沖刷。為了減輕對(duì)下游河床的沖刷，提高消能率，必須在合理確定消力池設(shè)計(jì)工況的情況下，進(jìn)一步增加輔助消能工，從而達(dá)到較好的消能效果。輔助消能工有多種情況，分別分析如下。

（1）消力池內(nèi)增加趾墩和消能墩

趾墩設(shè)置在水閘底板斜坡段末端的坡腳處，即消力池的首端，一般適用于中、低水頭的水閘輔助消能。它可以改善水閘泄水水流進(jìn)入消力池內(nèi)的始流條件，將水流挑起，然后再躍入池內(nèi)，并在池中產(chǎn)生水躍。在此過(guò)程中，水流在垂直方向發(fā)生擴(kuò)散且具有差動(dòng)式消能的效果，使水流得到了有效的消能。

消能墩布置在消力池內(nèi)，它的作用是促使水流進(jìn)一步擴(kuò)散、相互撞擊，增強(qiáng)了水流的紊動(dòng)，從而達(dá)到增加消能的效果，同時(shí)減少了消力池深度和長(zhǎng)度。

表1 陸中灣水閘消能設(shè)計(jì)工況

表2 陸中灣水閘消能計(jì)算成果表

趾墩和消能墩結(jié)合在一起，通過(guò)試驗(yàn)研究，證明輔助消能工的消能效果更加明顯，這種輔助消能工的消力池就是美國(guó)墾務(wù)局推薦的USBR-Ⅲ型消力池。

（2）海漫段加T形墩

水流通過(guò)消力池消能后，出池水流仍有較大的余能，紊動(dòng)劇烈，底部流速仍較大，具有一定的沖刷能力，因此，消力池消能后還需設(shè)置海漫及防沖槽。一般海漫設(shè)計(jì)材料往往采用混凝土和塊石，主要通過(guò)材料的粗糙、抗沖等特點(diǎn)來(lái)有效消除余能。

但是用一般的海漫來(lái)消除余能的消能效果仍然不是很好，有效的方法是在消力池后原漿砌石（或混凝土結(jié)構(gòu)）海漫段中部加設(shè)一排T形墩。試驗(yàn)研究表明，閘后消力池內(nèi)產(chǎn)生淹沒式水躍，出池水流形成急流，加設(shè)T形墩后，壅高了墩前水深，降低了海漫段水流的底流速，顯著減少了下游河床的沖刷，改善了下游流態(tài)，削弱了下游波浪的形成，說(shuō)明海漫段加T形墩具有良好的消能效果。

（3）篩網(wǎng)式消能

篩網(wǎng)式消能是根據(jù)水力學(xué)中過(guò)水?dāng)嗝嫱蝗豢s小或擴(kuò)大可消除水流的大部分能量，即水流能量以因斷面突然縮小或擴(kuò)大后產(chǎn)生局部損失而消能的理論為基礎(chǔ)。在水閘底板的后面、消力池頂部設(shè)一混凝土篩網(wǎng)，即將混凝土板做成網(wǎng)格式，使水流通過(guò)網(wǎng)孔下落到消力池中。網(wǎng)格起到分散水流改變過(guò)水?dāng)嗝妫催^(guò)水?dāng)嗝嫱蝗豢s小或擴(kuò)大）而達(dá)到消能的目的。下部消力池采用短深式，即長(zhǎng)度與網(wǎng)板相同，深度加深，使過(guò)網(wǎng)水流跌落到池中，產(chǎn)生漩滾以便進(jìn)一步消能，能夠起到良好的消能效果。

三、復(fù)式消力池

水閘一般是在低水頭情況下泄流，躍前斷面的佛汝德數(shù)低，所以普通的消力池往往消能效果不夠理想，盡管增加了輔助消能工，消能率還較低。另外，采用輔助消能工如消能墩后，水閘泄流時(shí)容易在消能墩處產(chǎn)生空化現(xiàn)象，嚴(yán)重的會(huì)發(fā)生消能結(jié)構(gòu)破壞。因此，為了提高水閘的消能率，又不至于因產(chǎn)生空化而破壞消能結(jié)構(gòu)，有效的方法可以采用復(fù)式消力池，即多級(jí)消力池，常用的是二級(jí)消力池。復(fù)式消力池消能已得到了廣泛應(yīng)用。

1.復(fù)式消力池的工程應(yīng)用

①內(nèi)蒙古河套灌區(qū)總干渠第一分水樞紐烏拉河進(jìn)水閘，閘下設(shè)消力坎式消力池消能，該閘運(yùn)行多年，運(yùn)用條件已發(fā)生變化。為此，該閘被列入黃河內(nèi)蒙古河套灌區(qū)2001年續(xù)建配套與節(jié)水改造工程，要求重新進(jìn)行水閘消能設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)考慮了消力池拆除重建及二級(jí)消力池兩個(gè)方案，通過(guò)計(jì)算表明，二級(jí)消力池具有較好的消能效果，最終推薦采用二級(jí)消力池方案。

②潮州供水樞紐攔河水閘消能工改造設(shè)計(jì)，通過(guò)三個(gè)消能設(shè)計(jì)方案的比較，表明其中二級(jí)消力池消能方案的消能效果較好，最后設(shè)計(jì)方案采用了二級(jí)消力池消能。

③重慶斑竹園水電站泄洪沖沙閘共設(shè)5孔，每孔凈寬12.10 m。設(shè)計(jì)洪水泄流 6 100 m3/s(P=2%)，水庫(kù)維持設(shè)計(jì)洪水位267.10 m，即正常蓄水位267.10m時(shí)，單孔泄流1220m3/s。根據(jù)設(shè)計(jì)提出的要求,經(jīng)計(jì)算，普通消力池難以達(dá)到消能要求，繼續(xù)進(jìn)行了調(diào)整消力池長(zhǎng)度、降低消力池底板高程、調(diào)整尾坎高程、增設(shè)消力墩等多種措施的試驗(yàn)研究，結(jié)果是各項(xiàng)措施的消能效果差異不大，采用普通消力池難以達(dá)到設(shè)計(jì)提出的消能要求。根據(jù)現(xiàn)有的研究成果，兩級(jí)或多級(jí)消力池可加強(qiáng)消能效果，于是選定最不利消能組合，對(duì)兩級(jí)消力池進(jìn)行了試驗(yàn)研究。結(jié)論是在二級(jí)消力池內(nèi)均產(chǎn)生水躍，通過(guò)兩次消能，其消能率可達(dá)75%左右。采用二級(jí)消力池進(jìn)行水閘消能設(shè)計(jì)的工程實(shí)例很多，已得到廣泛的應(yīng)用。

2.三八江水閘消能設(shè)計(jì)

三八江水閘工程位于浙江省，消能設(shè)計(jì)采用（普通）一級(jí)消力池和（復(fù)式）二級(jí)消力池兩個(gè)方案，經(jīng)計(jì)算，普通（一級(jí)）消力池的消能效果不夠理想，沒有滿足消能要求，最后設(shè)計(jì)采用（復(fù)式）二級(jí)消力池消能，消能率得到較大幅度的提高。

（1）三八江水閘消能設(shè)計(jì)工況（見表 3）

表3 三八江水閘消能設(shè)計(jì)工況

表4 三八江水閘消能成果表

（2）三八江水閘消能計(jì)算成果

根據(jù)現(xiàn)行 《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》，用Excel軟件分析計(jì)算得到三八江水閘消能計(jì)算成果（見表4）。下游水位1.5 m是指水閘外海多年平均低潮位，水閘消能計(jì)算時(shí)消力池末端水深根據(jù)外海多年平均低潮位1.5 m及相對(duì)應(yīng)的流量推求得到。最終確定三八江水閘一級(jí)消力池深度為1.1 m，池長(zhǎng)為14 m(水平段，不包括斜坡段)；二級(jí)消力池深度為0.8 m，池長(zhǎng)為12 m(水平段，不包括斜坡段)，能保證在不同工況下消力池內(nèi)都能產(chǎn)生淹沒式水躍，而不是遠(yuǎn)離式或臨界式水躍，從而達(dá)到理想的消能效果。由計(jì)算知，在各種工況下，（普通）一級(jí)消力池消能率的變化范圍是23.9%～54.0%，（復(fù)式）二級(jí)消力池消能率的變化范圍是42.3%～79.4%，即兩個(gè)消力池的總消能率，再次說(shuō)明復(fù)式消力池具有良好的消能效果，因此，在今后的工程中會(huì)得到更加廣泛的應(yīng)用。

四、結(jié) 語(yǔ)

分析研究可知，低水頭水閘消能效果一般都不很理想，消能率低，閘后水流流速仍然較大，對(duì)下游河床及兩岸容易形成沖刷，必須采取一定的工程措施才能達(dá)到良好的消能效果。通過(guò)對(duì)普通（單一）消力池、普通（單一）消力池和輔助消能工、復(fù)式消力池的消能分析研究，得出如下結(jié)論：

①低水頭水閘消能，尤其在單寬流量大時(shí)，佛汝德數(shù)低，此時(shí)用普通（單一）消力池消能效果往往較差，消力池內(nèi)消能不充分，出池后水流仍為急流，消能率低，如陸中灣水閘消能率只有19.1%～54.8%。

②用普通（單一）消力池和輔助消能工聯(lián)合消能，能起到較好的消能效果。尤其是在海漫段加T形墩對(duì)消力池低佛汝德數(shù)水躍的余能消減有顯著作用，而且避免了在消力池內(nèi)修建趾墩、消能墩等輔助消能工，在泄洪時(shí)大量粒徑較大的泥沙磨蝕消力池，與消能工產(chǎn)生碰撞摩擦，局部漩渦及泥沙淤積，同時(shí)也避免了池內(nèi)可能產(chǎn)生的空化現(xiàn)象。

③通過(guò)上面復(fù)式消力池的工程應(yīng)用分析以及對(duì)三八江水閘工程實(shí)例的分析計(jì)算可知，復(fù)式消力池的消能效果更加明顯。如重慶斑竹園水電站泄洪沖沙閘消能率可達(dá)75%左右，三八江水閘的消能效果也相當(dāng)高，消能率可達(dá)到42.3%～79.4%。

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