自由出流的攔河水閘消力池計(jì)算探討

黃智敏，付 波，陸漢柱，黃健東

（1.廣東省水利水電科學(xué)研究院，廣東 廣州 510635；2.廣東省水動(dòng)力學(xué)應(yīng)用研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510635）

通常攔河水閘下游消力池水力設(shè)計(jì)可參考《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》等文獻(xiàn)［1］，但相關(guān)文獻(xiàn)的消力池水力計(jì)算要求其下游河床水深ht應(yīng)大于相應(yīng)的臨界水深hk，否則計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況不相符合。在實(shí)際的工程運(yùn)行中，由于受水閘下游河道河床下切、水位下降的影響，部分水閘下游消力池末端尾坎出流呈自由出流狀態(tài)，消力池下游河床水深ht小于相應(yīng)的臨界水深hk，給工程設(shè)計(jì)帶來極大的不便。

目前，有關(guān)自由出流的攔河水閘下游消力池水力計(jì)算方法尚不夠完善，有關(guān)的一些成果主要是通過水力模型試驗(yàn)得出的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式。巖崎對(duì)采用消力池尾坎使水躍穩(wěn)定進(jìn)行了研究，提出了使水躍穩(wěn)定的相對(duì)坎高T/h1與躍前斷面佛氏數(shù)Fr1的計(jì)算式［2］，該式的計(jì)算過程略顯復(fù)雜。文獻(xiàn)［3，4］通過大量的水力模型試驗(yàn)研究，提出了自由出流消力池末端尾坎高度T、水平段池長L的初步計(jì)算方法（見圖1）。

圖1 自由出流消力池體型和水力參數(shù)示意圖Fig.1 Diagram of shape and hydraulic parameters of stilling basin with free discharge

本文在總結(jié)有關(guān)攔河水閘下游消力池研究成果的基礎(chǔ)上［5-12］，假設(shè)自由出流消力池產(chǎn)生臨界穩(wěn)定水躍狀況的池下游河床水深ht等于臨界水深hk，推導(dǎo)出自由出流消力池末端尾坎臨界高度Tk的計(jì)算公式，該計(jì)算式結(jié)合文獻(xiàn)［3，4］的自由出流消力池水平段池長L計(jì)算式，可為自由出流消力池體型和水力設(shè)計(jì)參考。研究成果得到了水力模型試驗(yàn)研究的驗(yàn)證，可供類似工程設(shè)計(jì)和運(yùn)行參考。

1 自由出流消力池運(yùn)行流態(tài)分析

一般攔河水閘下游消力池末端尾坎（或稱為尾檻）下游布置有以下兩種形式：①尾坎下游連接水平段或坡度較小的海漫（或河床），此布置適用于水閘下游設(shè)置單級(jí)消力池；②尾坎下游連接陡坡段，陡坡段下游再接二級(jí)消力池等，此布置多適用于水閘下游設(shè)置兩級(jí)或以上的多級(jí)消力池。當(dāng)消力池下游河床水深ht小于其臨界水深hk時(shí)，消力池內(nèi)無法產(chǎn)生正常的水躍，水閘出流呈急流狀撞擊消力池末端尾坎之后，急速涌高、翻滾跌向尾坎下游，對(duì)消力池下游海漫和河床會(huì)造成不同程度的沖刷破壞。

對(duì)于攔河水閘下游河道水位較低和閘上下游水位差較大、且尾坎自由出流的消力池，為了確保水閘和下游消力池的安全運(yùn)行，通?？稍谒l下游設(shè)置兩級(jí)消力池，在自由出流的消力池（稱為一級(jí)消力池）下游再設(shè)置二級(jí)消力池，并合理地設(shè)置二級(jí)消力池池深、池長和尾坎頂高程，以確保二級(jí)消力池出流與下游河道水流平緩銜接［13］。

為了分析自由出流消力池體型（末端尾坎高度T、水平段池長L）的水力設(shè)計(jì)方法，參考陡坡段跌水處的轉(zhuǎn)折斷面水深h近似為臨界水深hk的特性［2，14］，本文將自由出流的消力池尾坎段末端水深近似看作為臨界水深hk（見圖1）。為了便于分析自由出流消力池體型的水力設(shè)計(jì)方法，假設(shè)消力池末端尾坎下游河床面與尾坎頂面齊平，并將尾坎下游河床水深ht設(shè)置為臨界水深hk（見圖2），由此對(duì)自由出流消力池的水力計(jì)算方法進(jìn)一步分析。

圖2 消力池體型和水力參數(shù)示意圖Fig.2 Diagram of shape and hydraulic parameters of stilling basin

2 自由出流消力池尾坎高度計(jì)算

由圖2，假設(shè)消力池尾坎下游河床水深為臨界水深hk、尾坎高度T為Tk，列出消力池內(nèi)躍后水深h2斷面（1-1 斷面）和尾坎下游臨界水深hk斷面（2-2斷面）的水流能量方程［見式（1）］：

經(jīng)簡化和合并，可得出在下游臨界水深hk條件下的消力池尾坎臨界高度Tk計(jì)算公式為：

式中：σ0為水躍淹沒系數(shù)，初步可采用1.03～1.05；h2為消力池躍后水深，m；v2為1-1 斷面平均流速，m/s；α1為1-1 斷面水流動(dòng)能修正系數(shù)；g為重力加速度，m/s2；hk為消力池尾坎下游河床臨界水深，m；vk為2-2 斷面平均流速，m/s；α2為2-2 斷面水流動(dòng)能修正系數(shù)；ξ為1-1 斷面和2-2 斷面之間水流能量損失系數(shù)；α為水流動(dòng)能校正系數(shù)，初步可采用1.0；q為消力池尾坎斷面單寬流量，m3/（s·m）；ω為消力池出池流速系數(shù)，可采用0.95。

公式（2）與文獻(xiàn)［1，2］等的消力池末端尾坎（或尾檻）高度d計(jì)算公式相同，只是將文獻(xiàn)［1，2］尾坎高度d計(jì)算公式中的下游河床水深ht采用臨界水深hk來代替。由式（2）的消力池尾坎臨界高度Tk的定義，水躍淹沒系數(shù)σ0應(yīng)選取1.0，考慮到水閘下游消力池內(nèi)水流波動(dòng)較大，消力池末端尾坎頂寬度b較小（見圖1），出池水流波動(dòng)相應(yīng)較大，消力池尾坎頂末端斷面實(shí)際水深值與臨界水深hk值有一定偏差等因素，為了工程運(yùn)行安全，初步可選用σ0=1.03～1.05。同理，為了工程運(yùn)行安全起見，水流動(dòng)能校正系數(shù)α也初步選用1.0。

由式（2），若自由出流的消力池內(nèi)要形成穩(wěn)定的水躍，則要求其末端尾坎實(shí)際高度T等于或大于Tk，即：

因此，自由出流消力池末端尾坎實(shí)際高度T的計(jì)算和選取方法如下：

（1）由水閘上游水位Z、閘孔泄流單寬流量q0、流速系數(shù)φ、消力池底板高程等，計(jì)算出水閘下游消力池水流收縮斷面水深h1和佛氏數(shù)Fr1、躍后水深h2、自由水躍長度Lj等［1］。

（2）由消力池尾坎斷面單寬流量q，計(jì)算出尾坎下游河床臨界水深hk、尾坎頂上游水深H［見式（4）］：

式中：m為消力池末端尾坎流量系數(shù)，初步可取0.42；g為重力加速度，m/s2。

（3）選取σ0、ω等系數(shù)，由式（2）計(jì)算出消力池尾坎臨界高度Tk，再由式（3）計(jì)算和選取消力池尾坎實(shí)際高度T。

為了便于本文成果與文獻(xiàn)［3，4］成果的比較，將文獻(xiàn)［3，4］的自由出流消力池產(chǎn)生臨界穩(wěn)定水躍的Tc/h1～Fr1關(guān)系列出［見式（5）］：

式中：Tc為消力池尾坎臨界高度，m；h1為消力池收縮斷面水深，m；Fr1為收縮斷面佛氏數(shù)。

3 自由出流消力池池長計(jì)算分析

文獻(xiàn)［1］等提出的水閘下游消力池長度Lsj的計(jì)算公式為（見圖2）：

式中：Ls為消力池上游斜坡段的水平投影長度，m；β為水躍長度校正系數(shù)，可采用0.7～0.8；Lj為水躍長度，m：h2為躍后水深，m ；h1為收縮斷面水深，m。

公式（6）和（7）中，Lj為自由水躍長度的計(jì)算公式，其顯然不能滿足自由出流消力池的水躍和池長的計(jì)算。文獻(xiàn)［3，4］提出了自由出流消力池的水平段池長L與其尾坎的淹沒度（T＋H）/h2的關(guān)系為：1）（T＋H）/h2=0.9～1 時(shí)，可取L/Lj=1.3～1；2）（T＋H）/h2=1～1.2 時(shí)，可取L/Lj=1～0.8。上述關(guān)系可寫為下面的公式（8）：

式中：L為自由出流消力池的水平段池長，m：Lj為自由水躍長度，采用式（7）計(jì)算，m；（T＋H）/h2為消力池尾坎淹沒度（T為選用的消力池尾坎高度，H為尾坎頂上游水深，h2為消力池躍后水深）。

由式（8）可見，消力池尾坎高度T越高，則消力池產(chǎn)生臨界穩(wěn)定水躍所需的水平段池長L越小。因此，采用本文成果公式（2），并結(jié)合文獻(xiàn)［3，4］的公式（8），就可以計(jì)算出自由出流消力池產(chǎn)生臨界穩(wěn)定水躍的尾坎高度T和水平段池長L等體型參數(shù)。

4 計(jì)算和水力模型試驗(yàn)驗(yàn)證

采用水力模型試驗(yàn)，對(duì)本文推導(dǎo)的公式（2）和結(jié)合文獻(xiàn)［3，4］公式（8）的計(jì)算成果（即自由出流消力池產(chǎn)生臨界穩(wěn)定水躍的尾坎高度Tk和水平段池長L）進(jìn)行驗(yàn)證。

參照廣東省陽春市北河水庫溢洪道加固工程水力模型［15］，開展自由出流消力池水力模型試驗(yàn)研究。溢洪道上游閘室為2孔，閘室凈寬2×6 m、中墩厚2.0 m，閘室溢流堰為駝峰堰、堰頂高程87.00 m，堰下游連接1∶3.5 陡坡段。本文試驗(yàn)在陡坡段下游83.00 m高程處設(shè)置消力池水平段底板（見圖3）。

圖3 溢流堰剖面示意圖（單位：m）Fig.3 Diagram of overflow weir profile

溢洪道水力模型為1∶30 正態(tài)模型。在泄流量Q=280 m3/s運(yùn)行時(shí)，水力模型測(cè)試的溢洪道上游庫水位Z=92.53 m，可計(jì)算得：消力池底板至庫水位的總水頭P=9.53 m，閘孔泄流單寬流量q0=23.33 m3/（s·m）。忽略庫區(qū)行進(jìn)流速水頭，取流速系數(shù)φ=0.985，計(jì)算出下游消力池水躍參數(shù)為：水流收縮斷面水深h1=1.94 m、收縮斷面佛氏數(shù)Fr1=2.76、躍后水深h2=6.66 m、自由水躍長度Lj=32.57 m。由池末尾坎斷面單寬流量q=20 m3/（s·m），計(jì)算的臨界水深hk=3.44 m。

取σ0=1.03，由式（2）可計(jì)算出Tk=1.97 m。取消力池末端尾坎流量系數(shù)m=0.42、q=20 m3/（s·m），計(jì)算得尾坎頂水頭H=4.87 m；計(jì)算出（Tk+H）/h2=1.027，L/Lj=0.973、L=31.69 m。水力模型試驗(yàn)的溢洪道泄流量從小逐漸增大運(yùn)行，當(dāng)泄流量達(dá)約283 m3/s時(shí)，消力池出現(xiàn)臨界穩(wěn)定水躍狀態(tài)，該泄流量計(jì)算值與試驗(yàn)值較符合（見表1）。

表1 消力池體型參數(shù)計(jì)算和水力模型試驗(yàn)驗(yàn)證

同理，σ0=1.04 和1.05 時(shí)，其計(jì)算成果和水力模型試驗(yàn)狀況為（見表1）：

（1）σ0=1.04 時(shí)，可計(jì)算出Tk=2.04 m、（Tk+H）/h2=1.037、L/Lj=0.963、L=31.36 m，在泄流量約293 m3/s時(shí)，消力池出現(xiàn)臨界穩(wěn)定水躍狀態(tài)，池內(nèi)出現(xiàn)臨界穩(wěn)定水躍的泄流量比計(jì)算值（Q=280 m3/s）增大約4.6%。由文獻(xiàn)［3，4］計(jì)算公式（5）和Fr1=2.76，可計(jì)算出Tc=2.06 m，與本文成果計(jì)算值（σ0=1.04，Tk=2.04 m）較符合。

（2）σ0=1.05 時(shí)，可計(jì)算出Tk=2.10 m、（Tk+H）/h2=1.047、L/Lj=0.953、L=31.05 m，在泄流量約304 m3/s時(shí)，消力池出現(xiàn)臨界穩(wěn)定水躍狀態(tài)，池內(nèi)出現(xiàn)臨界穩(wěn)定水躍的泄流量比計(jì)算值（Q=280 m3/s）增大約8.6%。

將上述的溢洪道堰頂高程加高1.0 m 為88.00 m，溢流堰為實(shí)用堰（堰頂水平段厚度5.0 m），其下游陡坡段和消力池底板高程不變。溢洪道泄流量仍為280 m3/s，測(cè)試的庫水位Z=93.78 m，可計(jì)算得P=10.78 m、q0=23.33 m3/（s·m）。忽略庫區(qū)行進(jìn)流速水頭，取流速系數(shù)φ=0.983，計(jì)算出消力池水躍參數(shù)為：h1=1.79 m、Fr1=3.11、h2=7.03 m、Lj=36.16 m。

由式（2），取σ0=1.03，計(jì)算Tk=2.3 m。計(jì)算出H=4.87 m，（Tk+H）/h2=1.02，L/Lj=0.98，L=35.44 m。水力模型試驗(yàn)表明：在泄流量約285 m3/s時(shí)，消力池出現(xiàn)臨界穩(wěn)定水躍狀態(tài)，其泄流量比計(jì)算值（Q=280 m3/s）增大約1.8%。

由文獻(xiàn)［3，4］成果［見式（5）和（8）］和Fr1=3.11，可計(jì)算得Tc=2.29 m、L=35.49 m，與本文計(jì)算成果較符合。

5 成果分析

（1）在假設(shè)自由出流消力池內(nèi)產(chǎn)生臨界穩(wěn)定水躍狀況的池下游河床水深ht等于臨界水深hk的條件下，推導(dǎo)出消力池末端尾坎臨界高度Tk計(jì)算式（2），該計(jì)算式的淹沒系數(shù)σ0初步可取1.03～1.05。由本文推導(dǎo)的公式（2）和結(jié)合文獻(xiàn)［3，4］的公式（8），可以計(jì)算出自由出流消力池產(chǎn)生臨界穩(wěn)定水躍的尾坎高度Tk和水平段池長L等參數(shù)，計(jì)算成果得到了水力模型試驗(yàn)的初步驗(yàn)證。

由文獻(xiàn)［3，4］的成果分析，該成果公式（5）和（8）是根據(jù)系列模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合而成，且靠近眾多試驗(yàn)數(shù)據(jù)的上限值，具備有一定的安全系數(shù)。由于本文成果的消力池水平段池長L計(jì)算參考了文獻(xiàn)［3，4］的成果，因此，本文計(jì)算成果也具有一定的安全系數(shù)，可供自由出流消力池的體型和水力設(shè)計(jì)參考。

（2）由文獻(xiàn)［3］成果，在選用的消力池尾坎高度T＞Tk的條件下，T值越大，則自由出流消力池產(chǎn)生臨界穩(wěn)定水躍所需的水平段池長L值越小。因此，在式（2）計(jì)算的自由出流消力池末端尾坎臨界高度Tk的基礎(chǔ)上，參考文獻(xiàn)［3，4］的成果，工程設(shè)計(jì)選取的實(shí)際尾坎高度T應(yīng)大于計(jì)算的Tk值，盡量使其尾坎淹沒度（T+H）/h2=1.15～1.2，以盡量減小消力池水平段池長L，節(jié)省工程投資。

（3）在消力池的T、L值初步選取的基礎(chǔ)上，池內(nèi)可設(shè)置適當(dāng)?shù)妮o助消能工（如消力墩等），可進(jìn)一步減小消力池水平段池長L。對(duì)于大型工程或水流條件復(fù)雜的水閘工程，消力池若采用消力墩等輔助消能工時(shí)，其布置型式和尺寸應(yīng)通過水工模型試驗(yàn)驗(yàn)證［1］。

6 結(jié) 語

本文在總結(jié)有關(guān)攔河水閘下游消力池水力計(jì)算成果的基礎(chǔ)上，參考現(xiàn)有的水閘下游消力池水力計(jì)算方法成果，在假設(shè)自由出流消力池尾坎末端水深為臨界水深的條件下，推導(dǎo)出自由出流消力池產(chǎn)生臨界穩(wěn)定水躍的池末尾坎高度Tk計(jì)算公式。

由本文公式（2）和結(jié)合文獻(xiàn)［3，4］公式（8）計(jì)算的自由出流消力池產(chǎn)生臨界穩(wěn)定水躍的體型參數(shù)成果（尾坎高度Tk和水平段池長L），得到了水力模型試驗(yàn)研究的初步驗(yàn)證。該成果計(jì)算具有較簡單和方便的優(yōu)點(diǎn)，可供自由出流消力池的體型和水力設(shè)計(jì)參考。