1、水力工程論文：水閘沖刷計算分析研究    摘要:水閘泄水時部分勢能轉(zhuǎn)為動能，流速增大，因此水閘的沖刷現(xiàn)象是常見的，而抑制這種沖刷的計算則成為一個普遍且嚴(yán)重的問題，閘下有害沖刷原因是多方面的，有的是設(shè)計不當(dāng)，有的是運(yùn)用管理不善，本文以實(shí)例就對消能設(shè)計條件、躍前水深、躍后水深、下游水深，以及他們之間相互關(guān)系從設(shè)計角度以及運(yùn)用管理以及對下游河床的監(jiān)管等進(jìn)行論述。 關(guān)鍵詞:消力池；設(shè)計條件；公式；海漫；臨界水深 水流過閘后，在消力池內(nèi)產(chǎn)生水躍，使閘下急流轉(zhuǎn)變?yōu)榫徚鳎ㄟ^水躍消耗的能量Ej與躍前斷面的能量Ei之比，稱為水躍消能率。躍前斷面的弗汝德數(shù)愈大，則消能率愈

2、高。當(dāng)Fr1在1O一40間，則EjEi為28%一59%，低水頭的水閘，由于Fr1較小，故水閘的消能率一般較低。針對消能工設(shè)計條件及下游水深hs，對消力池及海漫的影響作些探討。 一、水閘消能工控制條件及消能不利原因 依據(jù)一些水閘的實(shí)際運(yùn)行工況及消能工破壞實(shí)例分析，水閘消能工設(shè)計的控制條件，往往不一定是以泄放設(shè)計洪水時為最不利工況，而且，不同類型的水閘的消能設(shè)計條件也不相同，故在消能工的設(shè)計中，除需要考慮上下游水位、過閘流量、閘門啟閉的組合程序等因素外，還必須做大量的分析工作，以確定消能工設(shè)計的最不利組合，設(shè)計中切不可簡單地加以假定。筆者通過對一些消力池水力狀況惡劣的水閘的觀察分析，總結(jié)出消力池計

3、算深度過深或形成不了淹沒水躍，消能率較低的主要原因為： （一）由于受上游洪水流量和下游潮位不斷變化的影響，過閘水流的水位、流量及流速均在不斷變化，設(shè)計者計算時未能加以一一分析，而是簡單地定了一個上下游水位； （二）下游水位很低時，未能結(jié)合對下游水面曲線的分析，考慮對閘門的開度、啟閉順序進(jìn)行控制或設(shè)置多級消力池； （三）未能結(jié)合設(shè)置一些消力墩等輔助消能工，促使水躍的發(fā)生。 二、 在不同下游水位情況下的消能防沖設(shè)計 （一）下游水深hs<HK(臨界水深) 消力池出口處水深應(yīng)按寬頂堰自由出流公式計算。根據(jù)一定的閘下排出流量，即可按此式計算出H0，并扣去行進(jìn)流速水頭(在未求得正確的池末端水深前，此

4、值可用Hc”代替)，這樣，即可求出消力池末端水深，此值與Hc”對比，即為淹沒系數(shù)，要求值在1.05-1。1之間。如果不合，可以調(diào)整消力池開挖深度，使之基本吻合。 以上的計算僅表示池內(nèi)水深已經(jīng)淹沒。急流動能亦有所消減，但是水流出池后，仍又能對下游海漫造成很大沖刷，嚴(yán)重影響閘室安全。所以還需計算水面下降曲線，使水流出池后能與下游水面平穩(wěn)連接，進(jìn)一步消除急流動能。由于海漫一般都設(shè)計成1:1O或1:20的陡坡，并在其前設(shè)置>5m的水平調(diào)整段，理論上一般認(rèn)為在平坡與陡坡交界處的水深為hk。因而，可根據(jù)已知的Qmax及hk值，向下推算海漫水面曲線。這是一條標(biāo)準(zhǔn)的M2型降水曲線，愈向下水深愈小，最后接

5、近正常水深h0，流速變緩。 （二）下游水深hk<HS下游水深對出流沒有影響，故池內(nèi)淹沒情況仍可按寬頂堰自由出流公式計算。對于水平調(diào)整后的水深可按hs計算，由于愈向下流速愈小，對海漫的沖刷亦愈小。但對于海漫末端的防沖槽，由于關(guān)系到河道的沖刷安全，必需精心設(shè)計和施工。 （三）下游水深hs>0.8Ho 消力池出口為淹沒流。由于下游水位抬高，消力池出口處的水深亦相應(yīng)增加，因而在保證相同淹沒系數(shù)情況下。消力池可以開挖得稍淺一些。 三、 實(shí)例介紹 為進(jìn)一步分析消能防沖設(shè)施，以實(shí)例進(jìn)行細(xì)致探討，設(shè)定某閘為2×4m，上游水位3.40m，下游水位1.5m，該閘底板高程1.0 m，初步擬定的

6、消能防沖結(jié)構(gòu)見圖。 （一）求過閘流量Q 按寬頂堰自由出流公式計算：參數(shù)選取e(側(cè)收縮系數(shù))=O.95，HoH=2.4m，B=8m，m=O385(當(dāng)檻高P=0時) 求得：Q=O.95×O.385×8×4.429×2.41.5= 48.18 m3/s （二）求第1共軛水深hc和第2共軛水深hc” E0=hc+q2/2g2hc2，假定消力池池深l.2m，則池底高程-O.2m，故E0=3.40+O.2=3.60m 出口處B=2×4+1=9m，單寬流量q=48.18/9=5.353m2/s =O.95，g=9.81(常數(shù))，把以上數(shù)字代入公式，通過試算可

7、求出hc=O.754 m，再把 代入求hc”的公式中，得hc”= 2.432 m （三）求消力池出口的水深 先求hk B=9+2×l7×tg8o=13.78 m，q=48.18/13.78=3.496 m2/s,hk=(q2/g)1/3 計算求得hk=1.076m 由于下游水深為O.5m<HK，故出口處可按寬頂堰自由出流公式計算H0 H0=(q/(2g)1/em )2/3，e為側(cè)收縮系數(shù)o.95，m=O.385，q=3.496 計算求得H0=1.67m 扣去行進(jìn)流速水頭v02/2g=3.4962/19.62×(2.432×1.05)2=0.096m

8、, 則得實(shí)際堰頂水深Hl=H0-v02/2g=1.67-0.096=1.574m 淹沒系數(shù)=（1.574+1.2）/2.432=1.141>1.05淹沒。 根據(jù)以上計算，淹沒系數(shù)略大于1.1，因此水躍已被淹沒，十分安全。再檢驗當(dāng)消力池出口水位為2.574m時，是否會影響閘下的出流，只需把這一水位換算成閘門出口處的水深即可。換算水深Hs=2.5741.0=1.574 m，則Hs/H=1.574/2.4=0.656<0.8O，故不會影響閘門下的出流。 （四）與下游水位的連接問題 通過5m的調(diào)整段，與坡度為1:10的海漫陡坡連接,陡坡起端的臨界水深hk為： hk=(q2/g)1/3=(3

9、.4962/9.81)1/3=1.076m 此處的流速V=48.18/1.076×13.78 =3.249 m/s。由于海漫為1:10的陡坡，則愈向下流速愈大，最后水深到達(dá)與陡坡相適應(yīng)的正常水位H0，然后再向下推出Bl型降水曲線。當(dāng)推出的水位到達(dá)下游水位時，可不再推求。根據(jù)以上計算原則，可以求出在海漫始端V=3.249 ms；在距始端10 m處，v=3.914ms，在距始端7.45 m處，Vmax均=5.469 m/s(與下游水位齊平)，以后水深逐漸加大，流速亦逐步減小。通過計算可知，海漫上可發(fā)生最大流速Vmax均=5.469 m/s，已明顯大于干砌塊石的允許流速，故必須把海漫全段和

10、調(diào)整段改為混凝土預(yù)制塊砌筑(厚O.2一O.3 m)，其允許流速V6m/s，屬于安全。 （五）其它導(dǎo)致沖刷嚴(yán)重，消能不利的因素 1、操作規(guī)程不健全，閘門操作不當(dāng)：多數(shù)工程閘門操作規(guī)程都只是套用通用的均勻、同步、對稱開關(guān)，以及中間、兩邊的先后等內(nèi)容，沒有根據(jù)具體工程的上下游水位、流量和河道水流形態(tài)、地質(zhì)條件定出具體的操作方案。 2、過量、無序采挖河砂：采砂未經(jīng)規(guī)劃或許可，未能實(shí)現(xiàn)有效的采砂管理，普遍存在偷采、超采河砂現(xiàn)象，特別是水閘下游河道過量挖砂，造成閘下水位降低，水閘泄水時發(fā)生流量與水位失衡，這已成為水閘下游沖刷破壞的主要原因。所以應(yīng)特別加強(qiáng)對水閘下游一定范圍內(nèi)采砂活動的管理、監(jiān)督。 四、結(jié)語

11、 水閘消能防沖歷來是十分重要的研究課題，特別是在粉砂地基上建閘，更需認(rèn)真對待，使建成后的水閘都能安全運(yùn)行，發(fā)揮出最大的效益。并且要根據(jù)不同的工程情況，多進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)查，以設(shè)計出最優(yōu)最安全的工程。 （一）求過閘流量Q 按寬頂堰自由出流公式計算：參數(shù)選取e(側(cè)收縮系數(shù))=O.95，HoH=2.4m，B=8m，m=O385(當(dāng)檻高P=0時) 求得：Q=O.95×O.385×8×4.429×2.41.5= 48.18 m3/s （二）求第1共軛水深hc和第2共軛水深hc” E0=hc+q2/2g2hc2，假定消力池池深l.2m，則池底高程-O.2m，故E0=3.4

12、0+O.2=3.60m 出口處B=2×4+1=9m，單寬流量q=48.18/9=5.353m2/s =O.95，g=9.81(常數(shù))，把以上數(shù)字代入公式，通過試算可求出hc=O.754 m，再把 代入求hc”的公式中，得hc”= 2.432 m （三）求消力池出口的水深 先求hk B=9+2×l7×tg8o=13.78 m，q=48.18/13.78=3.496 m2/s,hk=(q2/g)1/3 計算求得hk=1.076m 由于下游水深為O.5m<HK，故出口處可按寬頂堰自由出流公式計算H0 H0=(q/(2g)1/em )2/3，e為側(cè)收縮系數(shù)o.95，

13、m=O.385，q=3.496 計算求得H0=1.67m 扣去行進(jìn)流速水頭v02/2g=3.4962/19.62×(2.432×1.05)2=0.096m, 則得實(shí)際堰頂水深Hl=H0-v02/2g=1.67-0.096=1.574m 淹沒系數(shù)=（1.574+1.2）/2.432=1.141>1.05淹沒。 根據(jù)以上計算，淹沒系數(shù)略大于1.1，因此水躍已被淹沒，十分安全。再檢驗當(dāng)消力池出口水位為2.574m時，是否會影響閘下的出流，只需把這一水位換算成閘門出口處的水深即可。換算水深Hs=2.5741.0=1.574 m，則Hs/H=1.574/2.4=0.656<

14、;0.8O，故不會影響閘門下的出流。 （四）與下游水位的連接問題 通過5m的調(diào)整段，與坡度為1:10的海漫陡坡連接,陡坡起端的臨界水深hk為： hk=(q2/g)1/3=(3.4962/9.81)1/3=1.076m 此處的流速V=48.18/1.076×13.78 =3.249 m/s。由于海漫為1:10的陡坡，則愈向下流速愈大，最后水深到達(dá)與陡坡相適應(yīng)的正常水位H0，然后再向下推出Bl型降水曲線。當(dāng)推出的水位到達(dá)下游水位時，可不再推求。根據(jù)以上計算原則，可以求出在海漫始端V=3.249 ms；在距始端10 m處，v=3.914ms，在距始端7.45 m處，Vmax均=5.469

15、m/s(與下游水位齊平)，以后水深逐漸加大，流速亦逐步減小。通過計算可知，海漫上可發(fā)生最大流速Vmax均=5.469 m/s，已明顯大于干砌塊石的允許流速，故必須把海漫全段和調(diào)整段改為混凝土預(yù)制塊砌筑(厚O.2一O.3 m)，其允許流速V6m/s，屬于安全。 （五）其它導(dǎo)致沖刷嚴(yán)重，消能不利的因素 1、操作規(guī)程不健全，閘門操作不當(dāng)：多數(shù)工程閘門操作規(guī)程都只是套用通用的均勻、同步、對稱開關(guān)，以及中間、兩邊的先后等內(nèi)容，沒有根據(jù)具體工程的上下游水位、流量和河道水流形態(tài)、地質(zhì)條件定出具體的操作方案。 2、過量、無序采挖河砂：采砂未經(jīng)規(guī)劃或許可，未能實(shí)現(xiàn)有效的采砂管理，普遍存在偷采、超采河砂現(xiàn)象，特別是水閘下游河道過量挖砂，造成閘下水位降低，水閘泄水時發(fā)生流量與水位失衡，這已成為水閘下游沖刷破壞的主要原因。所以應(yīng)特別加強(qiáng)對水閘下游一定范圍內(nèi)采砂活動的管理、監(jiān)督。 四、結(jié)語 水閘消能防沖歷來是十分重要的研究課題，特別是在粉砂地基上建閘，更需認(rèn)真對待，使建成后的水閘都能安全運(yùn)行，發(fā)揮出最大的效益。并且要根據(jù)不同的工程情況，多進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)查，以設(shè)計出最優(yōu)最安全的