底流消能計算中有關(guān)收縮水深的計算方法分析

趙巖松，伊佳倩，李媛媛，伏世紅

(大連市水利規(guī)劃設(shè)計院，遼寧大連116021)

0 前言

在做水工建筑物設(shè)計的時候，我們經(jīng)常要面對這樣一個問題:經(jīng)堰、閘、隧洞、涵、陡坎等泄水建筑物下泄的水流，一般都有流速高，動能大的特點，因此必須采取工程措施消耗水流多余的能量，防止其對下游河床造成嚴重的沖刷和淤積，避免破壞水工建筑物的正常運行。

常用的消能方式有3種:底流消能、挑流消能、面流消能。本文探討的底流式消能即是在泄水建筑物下游采取一定的工程措施，使沿建筑物下泄的急流貼槽底射出，利用水躍原理，有效地控制水躍發(fā)生的位置，使下泄的高速水流通過水躍轉(zhuǎn)變?yōu)榫徚鳎ㄟ^主流在水躍區(qū)的擴散、混摻達到消能的目的。這種銜接消能方式中，高流速的主流位于底部，故稱為底流型銜接消能。

要真正做好消能工的設(shè)計，首先就必須要進行準確的消能計算，而消能計算的關(guān)鍵是收縮水深的確定。下面我們就通過運用舉例、對比及分析的方法來探討底流消能計算中收縮水深(hc)在實際工程中應如何取用問題。

1 實際工程中常遇到的問題

在一般的實際工程中，我們接觸最多的是溢洪道的消能和水閘的消能問題。對于其收縮水深的計算，基本都是采用能量方程推導出的公式進行計算。但是考慮到有淺槽溢洪道存在一定的差異，所以在消力池池深計算中對收縮水深的取用上有所不同。在這個問題上，現(xiàn)行的《溢洪道設(shè)計規(guī)范》并未對淺槽收縮水深應如何確定給予說明，而《水閘設(shè)計規(guī)范》［1］卻給出了明確的計算公式。這使得我們在做水閘的時候，都會很明確的選用《水閘設(shè)計規(guī)范》推薦的計算公式，而對于溢洪道淺槽消能計算的時候，就會產(chǎn)生些許的疑問。例如:收縮水深是應該通過能量公式直接計算得出(以下簡稱能量公式法)，還是應該通過水面線的推求，然后選用其末端水深作為收縮水深(以下簡稱水面線法)?

其實采用這兩種方法(途徑)都是可行的，只要參數(shù)選取恰當，界定好各自的適用范圍，我們的設(shè)計工作將會變得事半功倍。接下來我們通過舉例說明的方式，先來分析一下運用兩種方法計算容易造成結(jié)果偏差較大的原因，然后再通過比較說明的方式進一步闡述兩種方法的各自適用范圍。

2 舉例對比、分析兩種計算方法(途徑)［2］

首先，我們先通過一個算例來對比一下采用能量公式法和推求水面線法所得結(jié)果的偏差的大小，然后再分析偏差產(chǎn)生的原因。

例:某水庫溢洪道控制段采用開敞式寬頂堰結(jié)構(gòu)型式，堰頂高程為38.80 m，設(shè)計洪水位為39.50 m，設(shè)計流量 Q=9.55 m3/s，底寬11 m，下游河底高程為33.50 m，下游河道水位h=33.80 m;泄槽為混凝土矩形槽斷面，根據(jù)工程布置其坡降為1∶7.5，水平方向長40 m;擬采用下挖式消力池的型式，請通過計算確定其消力池的池深d。

1)采用能量公式法計算 hc［3］:

式中:E0是以收縮斷面底部為基準的堰前總比能，為5.70 m;φ是堰的流速系數(shù)，取0.95。

經(jīng)過電子表格試算，收縮水深 hc=0.087 m。據(jù)此計算的消力池池深d=0.60 m。

2)采用水面線法計算hc:

泄槽水面線應根據(jù)能量方程，采用分段求和法，按下式計算:

式中:v1、v2為計算斷面流速;h1、h2為計算斷面水深;△l1-2為計算斷面間距;i為底坡坡降;J為計算斷面間平均水力坡降;R為計算斷面間平均水力半徑;其余符號意義略。

經(jīng)計算臨界水深hk=0.43 m，均勻流水深hj=0.13 m，泄槽為陡坡，控制水深在上游，為臨界水深0.43 m，溢洪道泄槽水面線為 bⅡ型降水曲線［4］。計算簡圖見圖1，水面線計算結(jié)果見表1。

圖1 收縮水深計算簡圖1

表1 泄槽水面線計算成果表

由表1可知，水深h在20～30 m逐漸趨近于均勻流水深，即在距離泄槽起點30 m之后，說明泄槽內(nèi)水流可以形成均勻流流態(tài)。所以泄槽末端的水深即為其均勻流水深0.13 m。

采用0.13 m作為消力池計算的收縮水深，據(jù)此計算的消力池池深d=0.34 m。

通過以上兩種方法的計算，并比較其計算結(jié)果可知，兩結(jié)果差異較大。那么既然兩種方法所用公式均為能量方程推導而出，為什么計算結(jié)果會有這么大的差異呢?

經(jīng)仔細分析，發(fā)現(xiàn)其原因有2點:①采用能量公式法計算時，流速系數(shù)的選取是關(guān)鍵，此系數(shù)主要表述的是水頭損失和動能修正。既然如此，首先就得明確其適用條件，即沿程水頭損失可以忽略。本例題中溢洪道底坡為1∶7.5，坡度較緩，具備形成明渠均勻流的條件，自然其計算結(jié)果d=0.6 m偏大，而采用水面線法計算的d=0.34 m較為符合實際情況。②采用水面線法計算時，泄槽的坡度和長度是關(guān)鍵。當坡度較緩且泄槽較長時，沿程損失不能忽略，此法才更為實用。

基于以上對同一算例兩種方法計算結(jié)果的對比分析，我們對部分參數(shù)稍加變動，再分別用兩方法計算，看看結(jié)果如何:①采用能量公式法計算hc∶E0為5.70 m;φ取0.83。經(jīng)過電子表格試算，收縮水深hc=0.10 m。據(jù)此計算的消力池池深d=0.50 m。②采用水面線法計算hc∶泄槽坡度變?yōu)?∶1，泄槽水平向長度則相應變?yōu)?.3 m∶經(jīng)計算臨界水深hk=0.43 m，均勻流水深hj=0.07 m，泄槽為陡坡，控制水深在上游，為0.43 m，溢洪道泄槽水面線為bⅡ型降水曲線。

計算簡圖見圖2，水面線計算結(jié)果見表2。

圖2 收縮水深計算簡圖

表2 泄槽水面線計算成果表

由表2可知，泄槽末端水深h為0.10 m，＞均勻流水深0.07 m，說明泄槽內(nèi)水流尚未形成均勻流流態(tài)。采用0.10 m作為消力池計算的收縮水深，據(jù)此計算的消力池池深d=0.50 m。比較能量公式法和水面線法的計算結(jié)果可知:計算結(jié)果接近。這說明如果流速系數(shù)φ的取值得當，直接采用能量公式法將更加快捷。以上只是舉出一個算例作比較分析，如果讀者有興趣可以多找些算例試試。

3 結(jié)語

通過以上對例題的計算、對比和分析，針對能量公式法和水面線法計算收縮水深hc的計算問題，我們可以得出如下結(jié)論:

1)水閘或陡坡段較短、縱坡較陡的水工建筑物(如實用堰、溢流壩等)，其沿程水頭損失可以忽略，消能工收縮水深的計算直接采用能量公式法較為便捷，流速系數(shù)φ可在0.75～0.95參照水力計算手冊表3選取。

表3 泄水建筑物下游收縮斷面流速系數(shù)φ取值表

2)當陡坡段較長，縱坡較緩，且沿程損失不能忽略時，選用水面線法確定收縮水深hc更為精確合理。

3)盡管采用兩種方法計算的消力池池深的結(jié)果單從數(shù)值上看差異較大，但是在實際工程中，規(guī)范都有相應要求，即消力池構(gòu)造深度≥0.5 m。所以我們在進行上下游落差較小(一般＜10 m)，且流量較小的水工建筑物消能工的計算上，筆者認為直接采用能量公式法更為快捷。

［1］江蘇省水利勘測設(shè)計研究院.SL265—2001水閘設(shè)計規(guī)范［S］.北京:中國水利水電出版社，2001.

［2］李煒.水力計算手冊:2版［S］.北京:中國水利水電出版社出版，2006.

［3］吳持恭.水力學［M］.北京:高等教育出版社，1983.

［4］劉韓生，花立峰，紀志強，盧泰山.跌水與陡坡［M］.北京:中國水利水電出版社，2006.