趙巖松，伊佳倩，李媛媛，伏世紅

(大連市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院，遼寧大連116021)

0 前言

在做水工建筑物設(shè)計(jì)的時(shí)候，我們經(jīng)常要面對(duì)這樣一個(gè)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(dòng)能大的特點(diǎn)，因此必須采取工程措施消耗水流多余的能量，防止其對(duì)下游河床造成嚴(yán)重的沖刷和淤積，避免破壞水工建筑物的正常運(yùn)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?，通過主流在水躍區(qū)的擴(kuò)散、混摻達(dá)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(jì)，首先就必須要進(jìn)行準(zhǔn)確的消能計(jì)算，而消能計(jì)算的關(guān)鍵是收縮水深的確定。下面我們就通過運(yùn)用舉例、對(duì)比及分析的方法來探討底流消能計(jì)算中收縮水深(hc)在實(shí)際工程中應(yīng)如何取用問題。

1 實(shí)際工程中常遇到的問題

在一般的實(shí)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(duì)于其收縮水深的計(jì)算，基本都是采用能量方程推導(dǎo)出的公式進(jìn)行計(jì)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(jì)算中對(duì)收縮水深的取用上有所不同。在這個(gè)問題上，現(xiàn)行的《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》并未對(duì)淺槽收縮水深應(yīng)如何確定給予說明，而《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》［1］卻給出了明確的計(jì)算公式。這使得我們?cè)谧鏊l的時(shí)候，都會(huì)很明確的選用《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》推薦的計(jì)算公式，而對(duì)于溢洪道淺槽消能計(jì)算的時(shí)候，就會(huì)產(chǎn)生些許的疑問。例如:收縮水深是應(yīng)該通過能量公式直接計(jì)算得出(以下簡(jiǎn)稱能量公式法)，還是應(yīng)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(jiǎn)稱水面線法)?

其實(shí)采用這兩種方法(途徑)都是可行的，只要參數(shù)選取恰當(dāng)，界定好各自的適用范圍，我們的設(shè)計(jì)工作將會(huì)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(yùn)用兩種方法計(jì)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(jìn)一步闡述兩種方法的各自適用范圍。

2 舉例對(duì)比、分析兩種計(jì)算方法(途徑)［2］

首先，我們先通過一個(gè)算例來對(duì)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(kù)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(jì)洪水位為39.50 m，設(shè)計(jì)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(zhǎng)40 m;擬采用下挖式消力池的型式，請(qǐng)通過計(jì)算確定其消力池的池深d。

1)采用能量公式法計(jì)算 hc［3］:

式中:E0是以收縮斷面底部為基準(zhǔn)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(jì)算的消力池池深d=0.60 m。

2)采用水面線法計(jì)算hc:

泄槽水面線應(yīng)根據(jù)能量方程，采用分段求和法，按下式計(jì)算:

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

經(jīng)計(jì)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(jì)算簡(jiǎn)圖見圖1，水面線計(jì)算結(jié)果見表1。

圖1 收縮水深計(jì)算簡(jiǎn)圖1

表1 泄槽水面線計(jì)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(diǎn)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(jì)算的收縮水深，據(jù)此計(jì)算的消力池池深d=0.34 m。

通過以上兩種方法的計(jì)算，并比較其計(jì)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(dǎo)而出，為什么計(jì)算結(jié)果會(huì)有這么大的差異呢?

經(jīng)仔細(xì)分析，發(fā)現(xiàn)其原因有2點(diǎn):①采用能量公式法計(jì)算時(shí)，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(dòng)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(jì)算結(jié)果d=0.6 m偏大，而采用水面線法計(jì)算的d=0.34 m較為符合實(shí)際情況。②采用水面線法計(jì)算時(shí)，泄槽的坡度和長(zhǎng)度是關(guān)鍵。當(dāng)坡度較緩且泄槽較長(zhǎng)時(shí)，沿程損失不能忽略，此法才更為實(shí)用。

基于以上對(duì)同一算例兩種方法計(jì)算結(jié)果的對(duì)比分析，我們對(duì)部分參數(shù)稍加變動(dòng)，再分別用兩方法計(jì)算，看看結(jié)果如何:①采用能量公式法計(jì)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(jì)算的消力池池深d=0.50 m。②采用水面線法計(jì)算hc∶泄槽坡度變?yōu)?∶1，泄槽水平向長(zhǎng)度則相應(yīng)變?yōu)?.3 m∶經(jīng)計(jì)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(jì)算簡(jiǎn)圖見圖2，水面線計(jì)算結(jié)果見表2。

圖2 收縮水深計(jì)算簡(jiǎn)圖

表2 泄槽水面線計(jì)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(jì)算的收縮水深，據(jù)此計(jì)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(jì)算結(jié)果可知:計(jì)算結(jié)果接近。這說明如果流速系數(shù)φ的取值得當(dāng)，直接采用能量公式法將更加快捷。以上只是舉出一個(gè)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(yǔ)

通過以上對(duì)例題的計(jì)算、對(duì)比和分析，針對(duì)能量公式法和水面線法計(jì)算收縮水深hc的計(jì)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(shí)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(jì)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(jì)算手冊(cè)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(dāng)陡坡段較長(zhǎng)，縱坡較緩，且沿程損失不能忽略時(shí)，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(jì)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(shí)際工程中，規(guī)范都有相應(yīng)要求，即消力池構(gòu)造深度≥0.5 m。所以我們?cè)谶M(jìn)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(jì)算上，筆者認(rèn)為直接采用能量公式法更為快捷。

［1］江蘇省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院.SL265—2001水閘設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國(guó)水利水電出版社，2001.

［2］李煒.水力計(jì)算手冊(cè):2版［S］.北京:中國(guó)水利水電出版社出版，2006.

［3］吳持恭.水力學(xué)［M］.北京:高等教育出版社，1983.

［4］劉韓生，花立峰，紀(jì)志強(qiáng)，盧泰山.跌水與陡坡［M］.北京:中國(guó)水利水電出版社，2006.