潘世虎

(上海市水利工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200061)

平原出海閘由于陸地與海平相差不大，閘內(nèi)外水位差一般不超過6～8m，水閘泄流時(shí)，內(nèi)河水位一般在2～4m之間，外海水位在-2～4m之間，最適合的消能方式為底流式消力池消能；消力池設(shè)計(jì)需要確定的參數(shù)為消力池的深度與長度，長度與消力池深度直接相關(guān)，在深度確定后，長度就相應(yīng)確定了，故消力池設(shè)計(jì)主要是確定消力池的深度參數(shù)。

根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范[1]，消力深度與總能頭、下游水深和出池落差密切相關(guān)，而總能頭又與消力池深度相關(guān)；下游水深與外海潮位和下游海漫結(jié)構(gòu)相關(guān)，在水深較淺時(shí)又與水閘泄洪流量相關(guān)；出池落差與消力池深度和過閘流量相關(guān)。

現(xiàn)行規(guī)范消力池深度計(jì)算公式如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中，d—消力池深度；hc、hc″—水躍躍前、躍后水深；q—過閘單寬流量；T0—消力底算起的閘前總能頭；△Z—出池水位落差；hs′—下游河床水深。

從計(jì)算公式可以看出，消力池深度與躍后水深、下游河床水深和出池水位落差相關(guān)。躍后水深與躍前水深和過閘單寬流量相關(guān)，躍后水深與躍前水深為一對共軛水深；躍前水深與總能頭和過閘單寬流量相關(guān)，且為一元三次方程的解，計(jì)算算時(shí)，需要多次試算，方能求出正確解；出池水位落差與過閘單寬流量、下游河床水深和躍后水深有關(guān)，從公式(4)可知，下游河床水深不應(yīng)為0，而出海閘在泄洪時(shí)很可能遇見下游河床無水情況。

筆者根據(jù)多年計(jì)算經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)消力池深度計(jì)算中存在以下幾個問題：①采用公式(3)，躍前水深由于初擬值不當(dāng)，無法求出正確解；②可能出現(xiàn)躍后水深小于躍前水深現(xiàn)象；③下游河床水深較淺時(shí)，出池水位落差出現(xiàn)異常偏大；④下游無水時(shí)，由公式(4)無法推求出池水位落差。

下面就消力池深度計(jì)算中存在的上述問題，通過計(jì)算方法分析、計(jì)算公式改進(jìn)，提出解決問題的方法和方案，并以上海市崇明區(qū)東平河出海閘為例，進(jìn)行分析說明消力池深度的計(jì)算方法與過程。

1 消力池深度計(jì)算方法與改進(jìn)

消力池計(jì)算過程一般如下：①根據(jù)上下游水位計(jì)算過閘流量，得出過閘單寬流量；②假定一個消力池深度，計(jì)算總能頭；③確定水躍躍前、躍后水深；④計(jì)算出池落差，從而得出消力池深度；若計(jì)算深度與假定深度不同，再假定消力池深度進(jìn)行計(jì)算，直至計(jì)算值與假定值相同時(shí)，方為消力池的設(shè)計(jì)深度。

以下就現(xiàn)行規(guī)范計(jì)算中存在的問題，提出改進(jìn)的方法和措施。

1.1 采用迭代公式求解躍前水深

(5)

這樣，在T0和β確定時(shí)，hc也就唯一確定了。采用公式(5)避免了計(jì)算中試算的繁復(fù)和可能出現(xiàn)的無解現(xiàn)象。

1.2 躍前水深、躍后水深確定

當(dāng)采用公式(2)計(jì)算時(shí)，有時(shí)可能躍前水深大于躍后水深的現(xiàn)象，由于這兩組水深為共軛關(guān)系，故計(jì)算時(shí)可將其進(jìn)行互換。

1.3 下游河床水深確定

消力池下游河床(消力池后海漫段)底坡一般為順坡或平坡，當(dāng)為順坡時(shí)，坡度都較緩，一般緩于1∶10。下游河床水深，與閘下游水位、海漫頂高程及過閘流量相關(guān)。

(1)消力池下游河床為順坡時(shí)。當(dāng)水閘下游河床水深較深時(shí)，大于河道過流正常水深(或臨界水深)時(shí)，下游河床水深采用實(shí)際河床水深；當(dāng)下游水深小于河道過流正常水深(或臨界水深)時(shí)，采用河道正常過流水深(或臨界水深)。

(2)消力池下游河床為平坡時(shí)。當(dāng)水閘下游河床水深較深時(shí)，大于河道臨界水深時(shí)，下游河床水深采用實(shí)際河床水深；當(dāng)下游水深小于河道臨界水深或無水時(shí)，宜采用什么樣水深計(jì)算呢？

根據(jù)《水力計(jì)算手冊》[3]，對于棱柱形明槽恒定非均勻流，當(dāng)下游河道為平坡時(shí)，水面線以臨界水面為界，要么位于②區(qū)，要么位于③區(qū)。當(dāng)上游水位大于臨界水位時(shí)，水面呈下降曲線；當(dāng)上游水位低于臨界水位時(shí)，水面呈上升曲線并發(fā)生水躍。故消力池后水面呈現(xiàn)為以臨界水面線為軸、多水躍逐降形式，如圖1所示。

圖1 消力池下游水流狀態(tài)示意圖

從圖1可以看出，當(dāng)下游水位較低時(shí)，河床過度水面都在臨界水位以上，因此，平坡河床計(jì)算水深采用臨界水深是安全的，合理的。

1.4 出池落差計(jì)算公式改進(jìn)

參照《水閘底流消能計(jì)算公式的分析與改進(jìn)》[4]論文中出池落差改進(jìn)公式，建議將公式(4)調(diào)整為公式(6)更為合理。

(6)

2 計(jì)算案例概況

東平河水閘位于上海市崇明縣東平河南端入海處，距河口500m左右，是崇明縣南沿一線大堤上14座沿江水閘之一，主要功能為擋潮、排澇和水資源調(diào)度。水閘為單孔塢式結(jié)構(gòu)，閘孔凈寬14m，中型水閘，Ⅲ等1級水工建筑物，防洪標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇高潮位加11級風(fēng)浪。

河道河底高程為-0.5m，河底寬度20m，兩岸邊坡為1∶3。水閘由閘室、內(nèi)外河消力池、內(nèi)外河海漫和內(nèi)外河翼墻組成，總體布置長度為189.0m，其中，內(nèi)河防護(hù)段長76.0m，護(hù)底頂高程為-0.5m；閘室長17.0m，閘底板頂高程-0.5m；外河消能防沖段長96m，海漫為水平，底高程為-0.5m。

內(nèi)河設(shè)計(jì)水位情況：規(guī)劃控制高水位3.75m，常水位2.5～2.8m，最低控制水位2.3m。外河設(shè)計(jì)特征水位：防洪設(shè)計(jì)高水位6.29m，平均高潮位3.37m，平均低潮位0.92m，設(shè)計(jì)最低潮位-0.28m。

根據(jù)上海地區(qū)經(jīng)驗(yàn)，消能設(shè)計(jì)工況及水位組合見表1。

表1 水閘消能計(jì)算水位組合表

表1中，當(dāng)內(nèi)河水位為3.75m時(shí)，外河水位可能為平均低潮位0.92m到3.75m間的任何水位；同樣，在內(nèi)河水位為2.8m時(shí)，外河水位可能為設(shè)計(jì)最低水位-0.28m與2.8m之間任何水位。

3 消力池深度計(jì)算過程

以工況一演示消力池深度計(jì)算過程。綜上所述，東平河出海閘閘孔凈寬14m，閘門全開，內(nèi)河水位為3.75m，外河水位為3.5～0.92m，外河水位以0.3～0.5m遞降計(jì)算。

第一步：計(jì)算確定過閘單寬流量。采用寬頂堰堰流公式進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算成果見表2。從表2可知，當(dāng)下游水位高于3.0m時(shí)，水閘過流為淹沒堰流，低于3.0m時(shí)，為自由堰流，達(dá)水閘最大過流能力。

表2 水閘各種水位組合過閘單寬流量成果表

第二步：下游河床計(jì)算水深確定。水閘外河海漫為平底，其最低水深為臨界水深，經(jīng)計(jì)算各流量臨界水深見表3，臨界水深與下游河道斷面和單寬流量相關(guān)。河床計(jì)算水深由臨界水深與實(shí)際水深取大值確定。

表3 河床計(jì)算水深成果表

第三步：初定消力池深度。消力池深度為0m，計(jì)算躍前、躍后水深，以躍后水深減去外河計(jì)算水深，差值做為消力池初始計(jì)算深度，若差值小于0，取為0。采用消力池初值輸入計(jì)算，可以更好的避免出池落差異常偏大的問題。消力池初深計(jì)算成果見表4。

表4 消力池初始深度成果表

第四步：試算確定消力池深度。以消力池初始深度為基準(zhǔn)，考慮一定的水躍淹沒系數(shù)(取1.05)，計(jì)入出池落差，從而確定消力池計(jì)算深度，計(jì)算成果見表5。

表5 消力池計(jì)算深度成果表

第五步：確定設(shè)計(jì)消力池深度。從表4可知，當(dāng)內(nèi)河水位3.75m，外河水位不大于3.0m時(shí)，水閘過流達(dá)其極值，過閘單寬流量為14.10m2/s，下游水躍由淹沒水躍變?yōu)檫h(yuǎn)驅(qū)式水躍，需要設(shè)消力池進(jìn)行消能，當(dāng)下游水深低于臨界水深時(shí)，消力池設(shè)計(jì)深度最大，為1.70m，故消力池設(shè)計(jì)深度應(yīng)采用1.70m。

4 結(jié)語

水閘消能計(jì)算是水閘設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容之一，其中，消力池深度選擇正確與否，直接關(guān)乎水閘運(yùn)行安全和投資大小。本文分析了消力池深度設(shè)計(jì)中存在的系列問題，在現(xiàn)行規(guī)范計(jì)算公式的基礎(chǔ)上，通過對公式的合理轉(zhuǎn)換和修證，大大減少了計(jì)算繁復(fù)和不確定性，避免了設(shè)計(jì)者在消力池計(jì)算中出現(xiàn)失誤，對水閘消力池設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)作用。