14浙江水利科技・2004年・第3期
水闸消能防冲设计实例
唐宏进
(宁波市水利水电规划设计研究院,浙江宁波 315000)
摘 要:水闸一般采用消力池消杀闸门出口处急流动能。以实例对消能设计条件、跃前水深hc、跃后水深
hc″、下游水深hs,以及他们之间相互关系进行论述。
关键词:消力池;设计条件;公式;海漫;临界水深
中图分类号:TV662 文献标识码:B 文章编号:22004)0302
水闸是低水头的泄水建筑物,在消力池内产生水跃,,消耗的能量EE1率。,则消能率愈高。当Fr1在10～40间,则Ej/E1为28%～59%,低水头的水闸,由于Fr1较小,故水闸的消能率一般较低。针对消能工设计条件及下游水深hs,对消力池及海漫的影响作些探讨。
。根,即可按此式计算出H0,并扣去行进流速水头(在未求得正确的池末端水深前,此值可用δ代替),这样,即可求出消力池末端水深,此值与hc″对hc″
比,即为淹没系数δ,要求δ值在1105～111之间。如果不合,可以调整消力池开挖深度,使之基本吻合。以上的hs
1 消能工设计条件
根据浙江省水闸实际运行工况及消能工破坏实例分析,水闸消能工设计的控制条件,往往不一定是以泄放设计洪水时为最不利工况,而且,不同类型的水闸的消能设计条件也不相同,故在消能工的设计中,除需要考虑上下游水位、过闸流量、闸门启闭的组合程序等因素外,还必须做大量的分析工作,以确定消能工设计的最不利组合,设计中切不可简单地加以假定。宁波地区位于浙东南沿海,随着围垦工程的建设,建造了较多的沿海排涝挡潮闸,在设计这种闸时,经常碰到消能设计条件十分恶劣的情况。有些设计者计算出的闸下消力池水力状况恶劣,消力池计算深度过深或形成不了淹没水跃,消能率较低。其原因:①由于受上游洪水流量和下游潮位不断变化的影响,过闸水流的水位、流量及流速均在不断变化,设计者计算时未能加以一一分析,而是简单地定了一个上下游水位;②下游潮位很低时,未能结合对下游水面曲线的分析,考虑对闸门的开度、启闭顺序进行控制或设置多级消力池;③未能结合设置一些消力墩等辅助消能工,促使水跃的发生。
水深已经淹没,急流动能亦有所消减,但是水流出池后,仍又能对下游海漫造成很大冲刷,严重影响闸室安全。所以还需计算水面下降曲线,使水流出池后能与下游水面平稳连接,进一步消除急流动能。由于海漫一般都设计成1∶
10或1∶20的陡坡,并在其前设置>5m的水平调整段,理
论上一般认为在平坡与陡坡交界处的水深为hk。因而,可根据已知的Qmax及hk值,向下推算海漫水面曲线。这是一条标准的M2型降水曲线,愈向下水深愈小,最后接近正常水深h0,流速变缓,已无冲刷之虞。
212 下游水深hk
018H0
下游水深对出流没有影响,故池内淹没情况仍可按宽顶堰自由出流公式计算。对于水平调整后的水深可按hs计算,由于愈向下流速愈小,对海漫的冲刷亦愈小。但对于海漫末端的防冲槽,由于关系到河道的冲刷安全,必需精心设计和施工。
213 下游水深hs>018H0
消力池出口为淹没流。由于下游水位抬高,消力池出口处的水深亦相应增加,因而在保证相同淹没系数情况下,消力池可以开挖得稍浅一些。
2 在不同下游水位情况下的消能防冲设计
211 下游水深hs
收稿日期:2003211226
作者简介:唐宏进(1972-),男,工程师,大学本科,主要从事水利工程设计工作。
3 实例介绍
以象山某排涝出海闸为例,对消能防冲设施进行分析计算。已知该闸为2×4m,上游水位3140m,外海潮位115
m,该闸底板高程110m,初步拟定的消能防冲结构见图1。
浙江水利科技・2004年・第3期
淹没系数δ==11141>1105淹没。
21432
15
根据以上计算,淹没系数略大于1110,因此水跃已被淹没,十分安全。再检验当消力池出口水位为21574m时,是否会影响闸下的出流,只需把这一水位换算成闸门出口处的水深即可。
图1 消能防冲结构图
换算水深Hs=21574-110=11574m,则
01656
==H2140
311 求过闸流量Qmax
按宽顶堰自由出流公式计算:
Qmax=εmB
115
314 与下游水位的连接问题
通过5m的调整段,与坡度为1∶10的海漫陡坡连接,
3
式中ε:(侧收缩系数)=0195,H0≈H=2140m,B=
8m,m=01385(当槛高p=0时)
hk=V=
=2
=11076m9181
2
求得:Qmax=0195×01385×8×41×211=48118m/s
3
s。由于海漫为1∶10
11,,最后水深到达与陡坡相适应的正常水位h0,然后再向下推出B1型降水曲线。当推出的水位到达下游水位时,可不再推求。根据以上计算原则,可以求出在海漫始端V=31249m/s;在距始端110m处,V
=31914m/s,在距始端7145m处,Vmax=51469m/s(与下
=51353910
2112m,
则池底高程2gc
312 c2hcE0=hc+
-012m,故E0=3140+012=3160m
出口处B=2×4+1=9m,单宽流量q=
m/s
2
游水位齐平),以后水深逐渐加大,流速亦逐步减小。通过计算可知,海漫上可发生最大流速Vmax=51469m/s,已明显大于干砌块石的允许流速,故必须把海漫全段和调整段改为混凝土预制块砌筑(厚012～013m),其允许流速V≥6
m/s,属于安全。
ψ=0195,g=9181(常数),把以上数字代入公式,通过试算可求出hc=01754m,再把hc代入求hc″的公式中,得
hc″=(
2
2
(
+3
ghc
2
-1)=
2
×
4 结 语
水闸消能防冲历来是十分重要的研究课题,特别是在粉砂地基上建闸,更需认真对待,使建成后的水闸都能安全运行,发挥出最大的效益。
=01377×(7145-1)=21432m+3-1)
9181×01754
313 求消力池出口的水深
先求hk
B=9+2×17×tag8=13178m,q=
3
.
2
=31496m/s13178
hk=
=g
2
3
=11076m9181
2
由于下游水深为015m,
由出流公式计算H0,H0=(εm)2/3,ε为侧收缩系数0195
m=01385,q=31496m/s,2g=19162H0=(
2/3=11670m
0195×01385×162
22
2
扣去行进流速水头=[2]2g19162×(21432×1105)
=01096m
则得实际堰顶水深H1=H0-=11670-010962g=11574m
2
14浙江水利科技・2004年・第3期
水闸消能防冲设计实例
唐宏进
(宁波市水利水电规划设计研究院,浙江宁波 315000)
摘 要:水闸一般采用消力池消杀闸门出口处急流动能。以实例对消能设计条件、跃前水深hc、跃后水深
hc″、下游水深hs,以及他们之间相互关系进行论述。
关键词:消力池;设计条件;公式;海漫;临界水深
中图分类号:TV662 文献标识码:B 文章编号:22004)0302
水闸是低水头的泄水建筑物,在消力池内产生水跃,,消耗的能量EE1率。,则消能率愈高。当Fr1在10～40间,则Ej/E1为28%～59%,低水头的水闸,由于Fr1较小,故水闸的消能率一般较低。针对消能工设计条件及下游水深hs,对消力池及海漫的影响作些探讨。
。根,即可按此式计算出H0,并扣去行进流速水头(在未求得正确的池末端水深前,此值可用δ代替),这样,即可求出消力池末端水深,此值与hc″对hc″
比,即为淹没系数δ,要求δ值在1105～111之间。如果不合,可以调整消力池开挖深度,使之基本吻合。以上的hs
1 消能工设计条件
根据浙江省水闸实际运行工况及消能工破坏实例分析,水闸消能工设计的控制条件,往往不一定是以泄放设计洪水时为最不利工况,而且,不同类型的水闸的消能设计条件也不相同,故在消能工的设计中,除需要考虑上下游水位、过闸流量、闸门启闭的组合程序等因素外,还必须做大量的分析工作,以确定消能工设计的最不利组合,设计中切不可简单地加以假定。宁波地区位于浙东南沿海,随着围垦工程的建设,建造了较多的沿海排涝挡潮闸,在设计这种闸时,经常碰到消能设计条件十分恶劣的情况。有些设计者计算出的闸下消力池水力状况恶劣,消力池计算深度过深或形成不了淹没水跃,消能率较低。其原因:①由于受上游洪水流量和下游潮位不断变化的影响,过闸水流的水位、流量及流速均在不断变化,设计者计算时未能加以一一分析,而是简单地定了一个上下游水位;②下游潮位很低时,未能结合对下游水面曲线的分析,考虑对闸门的开度、启闭顺序进行控制或设置多级消力池;③未能结合设置一些消力墩等辅助消能工,促使水跃的发生。
水深已经淹没,急流动能亦有所消减,但是水流出池后,仍又能对下游海漫造成很大冲刷,严重影响闸室安全。所以还需计算水面下降曲线,使水流出池后能与下游水面平稳连接,进一步消除急流动能。由于海漫一般都设计成1∶
10或1∶20的陡坡,并在其前设置>5m的水平调整段,理
论上一般认为在平坡与陡坡交界处的水深为hk。因而,可根据已知的Qmax及hk值,向下推算海漫水面曲线。这是一条标准的M2型降水曲线,愈向下水深愈小,最后接近正常水深h0,流速变缓,已无冲刷之虞。
212 下游水深hk
018H0
下游水深对出流没有影响,故池内淹没情况仍可按宽顶堰自由出流公式计算。对于水平调整后的水深可按hs计算,由于愈向下流速愈小,对海漫的冲刷亦愈小。但对于海漫末端的防冲槽,由于关系到河道的冲刷安全,必需精心设计和施工。
213 下游水深hs>018H0
消力池出口为淹没流。由于下游水位抬高,消力池出口处的水深亦相应增加,因而在保证相同淹没系数情况下,消力池可以开挖得稍浅一些。
2 在不同下游水位情况下的消能防冲设计
211 下游水深hs
收稿日期:2003211226
作者简介:唐宏进(1972-),男,工程师,大学本科,主要从事水利工程设计工作。
3 实例介绍
以象山某排涝出海闸为例,对消能防冲设施进行分析计算。已知该闸为2×4m,上游水位3140m,外海潮位115
m,该闸底板高程110m,初步拟定的消能防冲结构见图1。
浙江水利科技・2004年・第3期
淹没系数δ==11141>1105淹没。
21432
15
根据以上计算,淹没系数略大于1110,因此水跃已被淹没,十分安全。再检验当消力池出口水位为21574m时,是否会影响闸下的出流,只需把这一水位换算成闸门出口处的水深即可。
图1 消能防冲结构图
换算水深Hs=21574-110=11574m,则
01656
==H2140
311 求过闸流量Qmax
按宽顶堰自由出流公式计算:
Qmax=εmB
115
314 与下游水位的连接问题
通过5m的调整段,与坡度为1∶10的海漫陡坡连接,
3
式中ε:(侧收缩系数)=0195,H0≈H=2140m,B=
8m,m=01385(当槛高p=0时)
hk=V=
=2
=11076m9181
2
求得:Qmax=0195×01385×8×41×211=48118m/s
3
s。由于海漫为1∶10
11,,最后水深到达与陡坡相适应的正常水位h0,然后再向下推出B1型降水曲线。当推出的水位到达下游水位时,可不再推求。根据以上计算原则,可以求出在海漫始端V=31249m/s;在距始端110m处,V
=31914m/s,在距始端7145m处,Vmax=51469m/s(与下
=51353910
2112m,
则池底高程2gc
312 c2hcE0=hc+
-012m,故E0=3140+012=3160m
出口处B=2×4+1=9m,单宽流量q=
m/s
2
游水位齐平),以后水深逐渐加大,流速亦逐步减小。通过计算可知,海漫上可发生最大流速Vmax=51469m/s,已明显大于干砌块石的允许流速,故必须把海漫全段和调整段改为混凝土预制块砌筑(厚012～013m),其允许流速V≥6
m/s,属于安全。
ψ=0195,g=9181(常数),把以上数字代入公式,通过试算可求出hc=01754m,再把hc代入求hc″的公式中,得
hc″=(
2
2
(
+3
ghc
2
-1)=
2
×
4 结 语
水闸消能防冲历来是十分重要的研究课题,特别是在粉砂地基上建闸,更需认真对待,使建成后的水闸都能安全运行,发挥出最大的效益。
=01377×(7145-1)=21432m+3-1)
9181×01754
313 求消力池出口的水深
先求hk
B=9+2×17×tag8=13178m,q=
3
.
2
=31496m/s13178
hk=
=g
2
3
=11076m9181
2
由于下游水深为015m,
由出流公式计算H0,H0=(εm)2/3,ε为侧收缩系数0195
m=01385,q=31496m/s,2g=19162H0=(
2/3=11670m
0195×01385×162
22
2
扣去行进流速水头=[2]2g19162×(21432×1105)
=01096m
则得实际堰顶水深H1=H0-=11670-010962g=11574m
2