馮建江，陳海雄

（浙江水利水電?？茖W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、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問題往往是佛汝德數(shù)低、水躍的消能效果較差。研究表明，利用水躍消能，當佛汝德數(shù)Fr小于4.5 h時，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，下游水流紊動劇烈，在洪水期泄流時，閘下水流對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，對閘后水流如何有效地消除水流能量進行分析研究顯得非常重要。本文通過合理確定消力池的設(shè)計工況、增加輔助消能工、建復式消力池的方法進行分析研究。

一、水躍消能的基本原理

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

式中，εr為紊動能量的耗散項，u′為水流的脈動流速，λg為微小渦旋的平均尺度。由此項可知，在水流消能防沖設(shè)計時，應(yīng)盡可能增大消力池內(nèi)水流的紊動，增大水流能量的耗散，而水躍正是具有強力的水流紊動特征。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)點作無規(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)水流急劇擴散，斷面流速分布隨之發(fā)生結(jié)構(gòu)性調(diào)整，達到消能的目的；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)點相互混摻，產(chǎn)生了動量傳遞，把主流區(qū)能量進一步帶到漩滾區(qū)進行消能。從水躍消能的原理知，水躍消能目的是要使水質(zhì)點產(chǎn)生強烈紊動。

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提高消能率。主要從合理確定消力池設(shè)計工況和增加輔助消能工方面來提高水閘的消能率。

1.合理確定消力池設(shè)計工況

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

（1）陸中灣水閘消能設(shè)計工況（見表1）

（2）陸中灣水閘消能計算成果

根據(jù)現(xiàn)行 《水閘設(shè)計規(guī)范》，用Excel軟件分析得到陸中灣水閘消能計算成果（見表2）。下游水位1.5 m是指水閘外海多年平均低潮位，水閘消能計算時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，而不是遠離式或臨界式水躍，從而達到相對理想的消能效果。由計算知，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能，會造成下游河床及兩岸的沖刷。為了減輕對下游河床的沖刷，提高消能率，必須在合理確定消力池設(shè)計工況的情況下，進一步增加輔助消能工，從而達到較好的消能效果。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。在此過程中，水流在垂直方向發(fā)生擴散且具有差動式消能的效果，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一步擴散、相互撞擊，增強了水流的紊動，從而達到增加消能的效果，同時減少了消力池深度和長度。

表1 陸中灣水閘消能設(shè)計工況

表2 陸中灣水閘消能計算成果表

趾墩和消能墩結(jié)合在一起，通過試驗研究，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

水流通過消力池消能后，出池水流仍有較大的余能，紊動劇烈，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)計材料往往采用混凝土和塊石，主要通過材料的粗糙、抗沖等特點來有效消除余能。

但是用一般的海漫來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)水力學中過水斷面突然縮小或擴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，使水流通過網(wǎng)孔下落到消力池中。網(wǎng)格起到分散水流改變過水斷面（即過水斷面突然縮小或擴大）而達到消能的目的。下部消力池采用短深式，即長度與網(wǎng)板相同，深度加深，使過網(wǎng)水流跌落到池中，產(chǎn)生漩滾以便進一步消能，能夠起到良好的消能效果。

三、復式消力池

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，水閘泄流時容易在消能墩處產(chǎn)生空化現(xiàn)象，嚴重的會發(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式消力池，即多級消力池，常用的是二級消力池。復式消力池消能已得到了廣泛應(yīng)用。

1.復式消力池的工程應(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水閘，閘下設(shè)消力坎式消力池消能，該閘運行多年，運用條件已發(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，要求重新進行水閘消能設(shè)計。設(shè)計考慮了消力池拆除重建及二級消力池兩個方案，通過計算表明，二級消力池具有較好的消能效果，最終推薦采用二級消力池方案。

②潮州供水樞紐攔河水閘消能工改造設(shè)計，通過三個消能設(shè)計方案的比較，表明其中二級消力池消能方案的消能效果較好，最后設(shè)計方案采用了二級消力池消能。

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)計洪水泄流 6 100 m3/s(P=2%)，水庫維持設(shè)計洪水位267.10 m，即正常蓄水位267.10m時，單孔泄流1220m3/s。根據(jù)設(shè)計提出的要求,經(jīng)計算，普通消力池難以達到消能要求，繼續(xù)進行了調(diào)整消力池長度、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研究，結(jié)果是各項措施的消能效果差異不大，采用普通消力池難以達到設(shè)計提出的消能要求。根據(jù)現(xiàn)有的研究成果，兩級或多級消力池可加強消能效果，于是選定最不利消能組合，對兩級消力池進行了試驗研究。結(jié)論是在二級消力池內(nèi)均產(chǎn)生水躍，通過兩次消能，其消能率可達75%左右。采用二級消力池進行水閘消能設(shè)計的工程實例很多，已得到廣泛的應(yīng)用。

2.三八江水閘消能設(shè)計

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

（1）三八江水閘消能設(shè)計工況（見表 3）

表3 三八江水閘消能設(shè)計工況

表4 三八江水閘消能成果表

（2）三八江水閘消能計算成果

根據(jù)現(xiàn)行 《水閘設(shè)計規(guī)范》，用Excel軟件分析計算得到三八江水閘消能計算成果（見表4）。下游水位1.5 m是指水閘外海多年平均低潮位，水閘消能計算時消力池末端水深根據(jù)外海多年平均低潮位1.5 m及相對應(yīng)的流量推求得到。最終確定三八江水閘一級消力池深度為1.1 m，池長為14 m(水平段，不包括斜坡段)；二級消力池深度為0.8 m，池長為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，而不是遠離式或臨界式水躍，從而達到理想的消能效果。由計算知，在各種工況下，（普通）一級消力池消能率的變化范圍是23.9%～54.0%，（復式）二級消力池消能率的變化范圍是42.3%～79.4%，即兩個消力池的總消能率，再次說明復式消力池具有良好的消能效果，因此，在今后的工程中會得到更加廣泛的應(yīng)用。

四、結(jié) 語

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到良好的消能效果。通過對普通（單一）消力池、普通（單一）消力池和輔助消能工、復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，佛汝德數(shù)低，此時用普通（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，同時也避免了池內(nèi)可能產(chǎn)生的空化現(xiàn)象。

③通過上面復式消力池的工程應(yīng)用分析以及對三八江水閘工程實例的分析計算可知，復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75%左右，三八江水閘的消能效果也相當高，消能率可達到42.3%～79.4%。

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