泄水建筑物消能設計

許美芳，宋廣旭

(湯原縣水務局，黑龍江湯原154700)

1 引言

建筑物的下泄水流具有以動能為主的大量機械能，對河床和下游渠道會產生強烈的沖刷，消能防沖是泄水建筑物設計中的一項主要內容。從物理概念說，能量是不能消掉的，實際上我們要做的只是設法使有危害的機械能盡量轉換成熱能而消散去，讓水流在預計的空間，通過水與水、水與固體邊界、水與空氣等各種相互摩擦、混摻、沖擊、碰撞等方式，實現能量的轉換。消能方式可按高速主流的位置與狀態分為底流水躍消能、挑流消能、戽斗或跌坎面流消能等幾類。

2 水躍消能

水流由急流過渡到緩流，會產生一種水面突然躍起的特殊的局部水力現象，稱為水躍。

水躍的運動要素變化得很劇烈。上圖繪出了水躍段中和躍后一些斷面上的流速分布圖。從圖中可以看出，流速急劇變化和水躍段中最大流速靠近底部的情況。在水躍表面旋滾與主流的交界面附近旋渦強烈，從而導致該處水流的激烈紊動、混摻，使得紊流的附加切應力遠較一般漸變紊流的為大。很大的紊流附加切應力使躍前斷面水流的大部分動能在水躍段中轉化為熱能而消失。在躍后斷面2－2處，流速的分布還是很不均勻的(見圖1)。同時，該處的紊流強度也遠較正常的漸變紊流為大。直到斷面3－3處，紊流強度才基本恢復正常。斷面2－2與斷面3－3之間的流段稱躍后段。

圖2中表面旋滾起點過水斷面1－1稱為躍前斷面，該斷面處水深稱為躍前水深。表面旋滾末端的過水斷面2－2稱為躍后斷面，該斷面處的水深h2稱為躍后水深。躍前、后水深之差稱為躍高，之間的距離稱為躍長。

首先需要判斷水躍發生的位置，判斷時可視收縮斷面處水深為躍前水深，下游河渠中的水深為水躍發生的躍后水深。

當ht=h2時，水躍恰好發生于收縮斷面處，稱為臨界式水躍銜接。這種銜接形式不夠穩定，下游水深稍有變化即將導致水躍位置的移動。

當ht＜h2此時下游水流的斷面比能大于臨界水躍躍后斷面的比能，使水躍涌向上游并淹沒了收縮斷面，形成淹沒式水躍銜接。

當ht＞h2此時水流通過收縮斷面之后還有一段壅水的急流，這種銜接型式稱遠離式水躍銜接。

遠離式水躍因急流段需要保護而不經濟，淹沒式水躍當淹沒度較大時消能效率比較低，同時水躍段的長度也比較大，臨界水躍消能效率比較高，需保護的范圍也最短，但是水躍發生的位置不夠穩定。因此，在實際的工程中采用的是稍有淹沒的水躍銜接。

3 底流消能的設計

在尚未采取工程措施時，經判斷自然銜接發生遠離式水躍時，便可決定采取工程措施修建消能池。其主要的設計計算任務就是計算消能池的挖深和池長。

3.1 池深的確定

池末局部水深hT略大于臨界水躍的躍后水深h″c1可表達為:

式中:σ為水躍的淹沒安全系數，一般取σ=1.05～1.10。

應用水躍方程，有:

式中:收縮斷面水深hc1可由下式求得:

在對消力池出口水流段能量方程:

式中:φ為流速系數。

以上4個方程構成的方程組，可求得消能池的挖深。

如果忽略計算式中的流速水頭Δz，并以尚未降低底坎時的臨界躍后水深替代，即可得到初步估算的近似公式:

圖1 水躍流速示意圖

圖2 水躍斷面示意圖

3.2 消力池長的確定

消力池過長將增加不必要的工程投資，池長不夠，即使池深足夠也不能在池中形成消能充分的水躍，底部主流甚至會跳出消力池沖刷下游河床。顯然合理的池長應從平底完全水躍的長度出發考慮。但是消力池中的水躍受到底坎的阻擋作用能量有所減少，實驗表明它的長度要比無坎阻擋的完全水躍縮短20%～30%。

池長計算:

式中:Lj為平底完全水躍長度。

4 實例應用

已知條件:某泄水建筑物尾水總過流量為20 m3/s，過水寬度6 m。泄水閘門上游水位105.000 m，閘底板頂面高程100 m，消力池首末端寬度6 m，下游渠道水位102 m，下游渠底高程100 m，流速系數φ=0.95，淹沒系數σ =1.05。

應用第三節所敘述的設計計算方法進行消力池計算:

消力池深s=0.421 m;消力池長Lk=10.427 m;躍前水深hc=0.352 m;躍后水深hc″=2.367 m;實際工程中取消力池深0.5 m，池長11 m。

5 結語

合理布置水利樞紐工程的泄水工程，確保洪水安全下泄，是水工設計中的重要一項。底流消能歷史悠久，因其流態穩定，消能效果好，對下游沖刷較輕，且無水霧干擾，故應用廣泛。他適用于各種水頭、流量及地質條件。但底流消能也存在其缺點，消力池的工程量較大，工程投資高，當泄流高差較大時，高速水流對過流斷面能造成空蝕破壞。

［1］中華人民共和國水利部.GB/T50265－97泵站設計規范［S］.北京:中國計劃出版社，1997.

［2］王世夏.水工設計的理論和方法［M］.北京:中國水利水電出版社，2000.

［3］欒鴻儒.水泵及水泵站［M］.北京:中國水利水電出版社，2006.

［4］張慧麗，王愛華，張力春.底流消能及其在工程上的應用［J］.黑龍江水利科技，2009，37(2):82.