水利工程消能设计科学性分析

水利工程消能设计科学性分析孙子瑾邯郸市水利水电勘测设计研究院河北邯郸056000摘要：在水利工程中，必须对消能设计进行科学分析。在低水头工程建筑中，如果水闸消能设计不合理，就达不到消能工应用的效率，致使下游水流出现剧烈紊动，尤其在泄洪期间，将会严重冲刷下游河床，存在较大的安全隐患。本文主要对消能方式进行简要介绍，并对水闸消能的控制条件和消能不利的相关因素给予分析，根据下游水位的不同情况，设计科学性的消能方式。关键词：水利工程；消能设计；水闸消能；科学性分析；临界水深；消力池在低水头建筑物中，水闸是比较关键的泄水建筑物，水闸的消能设计主要依靠底流式消能工来实现的。水跃在消力池内产生，使水闸下的急流现象逐渐转化为缓流，水跃消耗的能量与跃前断面的能量的比值为水跃消能率。随着跃前断面弗汝德数的增加，消能率也越来越高。当弗汝德数的范围为10-40，则水跃消耗的能量与跃前断面的能量的比值为28%-59%，低水头的水闸，弗汝德数比较小，因此，水闸消能率较低。一、消能方式1、底流式消能底流式消能主要是利用水跃来实现流态的转化，进而达到消耗能量的目的，此种消能方式也可称之为水跃消能。下游水流在剧烈紊动的作用下，水流的部分动能转变为位能和热能，从而实现消能。底流式消能的优点表现为较高的安全性、可靠性、消能率及流态稳定性，且雾化问题比较轻、对下游具有较小的冲刷的作用，对于各类泄水建筑物的适用性都比较强，比如大中小流量的泄水建筑物和高中低水头的泄水建筑物，也不会受到地理条件的限制，无论是软基还是岩基都具有较强的适用性，对尾水变幅也具有较好的适应性。现阶段，在国内底流式消能广泛应用于低水头闸坝的消能工程，在消力池的设计中，对消力池的长度具有较高的要求，同时工程造价也比较高。2、面流式消能面流式消能分为两种方式，一类为跌坎面流，另一类为廊斗面流。在溢流坝的末端，设置相应的跌坎和库斗，上游的下泄水流在跌坎的作用下，导入下游水面，在面部旋滚和底部旋滚的作用下，射流渐渐扩散，进而达到消能的目的。在面流式消能方式中，对使用条件的要求比较苛刻，单宽流量应该大一些，下游尾水水深必须高于水跃消能的第二共轭水深，此外，上游和下游的水位相差不能太大，岸坡必须具有较强的抗击能力和稳定性。在工程造价方面，面流式消能低于底流式消能，比较符合工程设计。3、挑流式消能挑流式消能方式使用的范围比较窄，对于岩基条件较好且尾水较低的工程具有较好的实用性。挑流式消能是指在泄水建筑物中设置相应的鼻坎，对泄出水流起到挑离的作用，进入到距离建筑物较远的下游位置，在高空中，就能达到水流能量消耗的目的。对于高水头建筑物，在消能过程中，如果水头较低，很难发挥出较大的挑射能量，如果下游尾水比较深，挑坎就会被淹没，无法将下泄水流挑起。因此，在低水头泄水建筑物中，一般很少使用挑流式消能设计。二、水闸消能的控制条件和消能不利的相关因素根据水闸的实际运行情况，分析消能不利的相关因素，并对水闸消能的控制条件给予分析。水闸的类型不同，消能设计也需要不同的条件，在消能设计过程中，必须考虑相关因素的影响，比如闸门启闭的组合程序、过闸流量、上游水位、下游水位等，其次还应该做好相应的分析工作，在消能设计过程中，对最不利的组合进行确定，不能随意的假定。通过对消力池水力状况进行观察，并对水闸的恶劣情况进行分析，常会出现以下问题，比如消能率较低、淹没水跃无法形成、计算消力池的深度过深等，出现上述情况的主要原因表现为：（1）随着上游洪水流量及下游潮位不断变化，对过闸水流的流速、流量及水位情况具有一定的影响，在设计过程中，设计者不能对这些情况进行细致分析，只是对上游水位和下游水位进行简单的确定；（2）在下游水位较低的情况下，没有对下游水面进行曲线分析，只是考虑到设置多级消力池、控制启闭顺序以及闸门的开度；（3）没有结合设置一些辅助消能工，比如消力墩等，进而促进水跃的出现。三、根据下游水位的不同情况设计消能方式1、下游水深低于临界水深首先应该计算出消力池出口处水深，以闸下排出流量作为依据，进而计算出正常水深（H0），将行进过程中的流速水头扣去，此时便可以得出消力池的末端水深，通常淹没系数的取值范围为1.05-1.1，如果不符合，必须对消力池的开挖深度进行调整，确保消力池的深度设计具有科学性。通过以上分析可以看出，池内水深已经被完全淹没。虽然，急流动能消减了，但是流出消力池后，仍然对下游具有较大的冲刷作用，致使闸室存在比较严重的安全隐患。因此，必须对水面的下降曲线进行计算，这样水流出消力池后，将会平稳进入下游水面，使急流动能得到有效消除。下游陡坡的设计比例一般为1:10或1:20，在陡坡之前设置有相应的水平调整段，一般长度超过5m，理论上认为临界水深为陡坡与平坡交界处的水深。因此，可以根据已知水流的最大能量和临界水深，对下游水面曲线进行推算。随着下游的不断延伸，水深也逐渐变小，直至与正常水深接近，进而达到流速变缓的目的。2、下游水深大于临界水深而低于0.8倍的正常水深下游水深的高低不会影响出流情况，因此对消力池内的淹没情况，仍然可以根据上述方法进行计算。进行水平调整后，就可以得出真实的下游水深。越向下游，水流的速度机会越小，对下游的冲刷作用也就越小。在下游陡坡的末端，一般设置有防冲槽，与整个河道的冲刷安全具有直接的影响，因此，对冲刷槽的设计和施工具有较高的要求。3、下游水深大于0.8倍的正常水深将消力池的出口称之为淹没流，随着下游水位的不断升高，消力池出口处的水深也会不断增加。因此，保证淹没系数的同时，对消力池进行开挖的深度应该尽量浅一些。四、对消能工的确定在对消能工的深度进行设计时，过闸流量不是设计流量，设计流量为最大值所对应的流量。一般情况下，计算消能的初始状态为闸上高水位或闸下无水，使用标准的计算方法对通过水闸的最小流量和最大流量以及介于两者之间的流量情况进行计算，并对相应的设计流量进行制定。比如多孔闸，必须根据闸门的具体情况，进行相应的调度方案操作，在闸门的开启次数和闸孔的提升档次的基础上，计算相应的设计流量。例如在具体计算过程中，此闸门为两个孔，每次提升的距离为0.21m，最大流量为消能工的设计长度。其中，跃后水深的计算公式为：181223ghqhhec收缩水深的计算公式为：闸孔出流的计算公式为：002gHBQe五、消力池的计算方法东部地区的水利工程的天然河床一般要高于西部地区，如果闸底板具有相同的高度，一般西部支流的水位比较低，因此，在消能设计过程中，主要的计算依据为水位流量的基本曲线图，开启闸门时，应该遵守基本原则：分档开启、闸孔同步，根据1：10的上游水头，对分档高度进行设计，每档高度至少为0.45m。在流量不高的情况下，应该开启三分之二的闸孔，使用底流式消能方式达到消能的目的，泄流系数为1.1，水跃处流速系数为0.91，进而得出相应的计算结果。在计算消力池板的厚度时，应该以消力池抗冲和抗浮的要求，进而在消力池内部设置相应的排水孔和反滤料，通过对底板抗浮作用的计算，在加上底板的计算系数，进而得出消力池的底板厚度、最高长度。结束语综上所述，在水利工程的消能设计中，影响消能设计的因素有很多，通过对消能方式进行简要介绍，对水闸消能的控制条件和消能不利的相关因素给予分析，根据下游水位的不同情况，设计科学性的消能方式。有效的改善了消力池的流态，使消力池内折的不利流态和对下游的冲刷作用得到了改善。参考文献[1]曹继彦,张峰.水库溢洪道方案研究[J].水利与建筑工程学报,2014(5).[2]茹建辉.矮堰淹没出流过流能力计算(工程水力学几个问题之一)[J].广东水利水电,2014(9).[3]包中进,卞祖铭,屠兴刚,徐岗,曹娥.江大闸整体水工模型试验研究[J].浙江水利科技,2013(7).