關于確定閘后消力池參數的新方法

劉士風,白文斌,劉冠美

(四川省都江堰東風渠管理處,成都,610081)

1 規范方法

水閘設計規范(SL265—2001)對閘后消力池參數的確定有明確規定,其計算模型和公式如下:

圖1 消力池參計算模型

式中:d——消力池深度(m);

σ

0——水躍淹沒系數,可采用1.05～1.10;

h″c——躍后水深(m);

hc——收縮水深(m);

α——水流動能校正系數,可采用1.0～1.05;

q——過閘單寬流量(m2/s);

φ——流速系數,一般取0.95;

b1——消力池首端寬度(m);

b2——消力池末端寬度(m);

T0——由消力池底板頂面算起的總勢能(m);

△Z——出池落差(m)

h′c——出池河床水深(m)。

消力池長度可按以下公式計算:

式中:LsJ——消力池長度(m);Ls——消力池斜坡段水平投影長度(m);β——水躍長度校正系數,可采用0.7～0.8;LJ——水躍長度(m)。

2 規范方法存在的問題

從根本上說,消力池是閘后耗散水體能量的水利工程,防止水流對閘后河道、渠道的沖刷破壞。在這里,消能是否充分直接關系到水利工程的運行安全,而池深和池長就是關鍵參數。規范規定的方法是:即由能量方程確定池深,由水躍長度乘以系數(0.7～0.8)確定池長。該方法的主要問題是:

(1)將能量耗散的整體問題分割成不相干的長度和深度,兩參數的確定無直接聯系。

(2)消力池長度與襯砌材料無關。

(3)實踐證明該方法確定的長度偏小。川西多數河床式電站往往需要修建二級、三級消力池,如成都徐堰河羅家橋電站,設計流量為48m3/s,

閘前水頭5m,按最不利工況計算,消力池長按規范規定為17m,運行不久即沖壞,反復加固,最終消力池長為34m。

閘室上下游的能量差,通過消力池耗散能量,方能形成平穩出流。水體在消力池中紊動,實際上是水流與池底、池壁相互間的摩擦運動。消力池內,能量整體耗散是摩擦阻力作功的結果。因此,本文引入襯砌材料的抗沖流速作功的概念。

一般功與功率由下式確定:

W=F·S N=F·v

摩擦阻力由下式確定:F=f·G

式中:f——摩擦系數;

G——水重;

W——功;

N——功率。

N=F·v=G·(f·v),其中v由實驗確定。

則N=G·Vc

在消力池能量耗散過程中,

△E·q=V·d·L (1)

式(1)表示閘室上下游的能量差等于襯砌材料的抗沖流速作功,等式兩邊量綱均為m3/s。

4 新方法計算步驟

步驟1:在閘前和閘后兩個斷面運用能量方程,求出消力池的深度和能量差。

步驟2:引入襯砌材料的抗沖流速Vc(Vc由實驗確定)。

步驟3:計算消力池長度L0,由公式(1)可得:

式中:L——消力池長度(m);

△E——閘上下游兩斷面單寬能量差(m)。

式中:L—消力池長度(m);

△E—閘上下游兩斷面單寬能量差(m);

H1,V1——閘上游斷面水頭、流速(m,m/

s);

H 2,V2—閘下游斷面水頭、流速(m,m/s);Vc—池底材料抗沖流速(m/s);

d—消力池深度(m);

q—單寬流量(m3/s·m)。

各種材料允許的不沖流速按表1～表4選用。

表1 石渠允許不沖流速 單位:m/s

表2 防滲襯砌渠道允許不沖流速

表3 粘性土渠道允許不沖流速

表4 非粘性土渠道允許不沖流速 單位:m/s

4 算例

算例1:某溢流壩,壩高10m,壩頂水頭3.2m,單寬流量12m3/s·m,下游水深3.05m,試求消力池深度和長度。

(1)按照規范的方法:求得池深d=1.1m,池長L=(0.7～0.8)×33.4=(23.4～26.7),取L=25m

(2)本法:由公式L=△E·q/(Vc·d)

△E=[H1+V21/(2g)-H2+V22/(2g)〕=(13.2+0.9×0.9/19.6)-(3.05+3.42×3.42/19.6)=13.24-4.09=8.34m

取Vc=2,L=(8.34×12)/(2×1.1)=45.4m

由上述計算可以看出,若用水躍長度確定消力池長度,水躍長度校正系數β不是0.7～0.8,而是1.2～1.5,這個數據與川西平原各水閘已修建的一、二級消力池總長吻合。 ■