《湖南水利水电）2021年第3期浅祈#闸％能'冲的*计
!素#
（宁乡市水利水电勘测设计院，湖南长沙410600）
摘要：在水闸的设计中，消能措施的选择和工程计算是设计的重要组成部分"当在软基上建闸 其承受的水头不高时，闸下跃前弗劳德数Fr较低，通常宜采用底流式水跃消能。文章通过水闸实
例论述了水闸消能方式的选择依据，分析了底流式消能工程中加设消力池的判别原理，并详细介 绍了消力池的池长、池深、底板厚度、以及与之连接的海漫长度和末端河床冲刷深度等的计算方
法，可为同类工程设计提供参考和经验借鉴。
关键词：大中型水闸；底流消能；消力池；消能计算
水闸是一种具有调节水位和控制过闸流量的水利建筑物，可同时发挥拦水和泄水作用，因此在防汛、抗旱、输水、发电等水利工程中占据极为重要的地位，但由于闸基前后水位高程不等，水闸上下游落差会将水体的势能大量转化为动能，导致过闸水流流速大大提高，从而对下游河床及两岸产生严重的机械和 侧是的会范围从下游不断后退到闸室地而造成水闸发生因，在水闸中有的能防对于水利的程是重要的水闸能防有流能流能和流能三种，具体的要于过闸水流流量、上下游水位差、水利程的及程的地质等因流水上一座重建的大（!水闸为过同下过闸流量、上下游水位、闸等因对水闸能的选择和程为水利的能防提供有
1工程概况
某大（！）型水闸枢纽工程位于湘江长沙段一级支流涝水河的中游，由溢流坝、泄洪闸、冲砂闸、水轮泵、工作及上下游等建筑物，要能为水、防洪、发电，灌溉耕地 1.2万亩，受益人口1多人。水闸区内总的地势北东低、西南较高，属低山之下环绕着岗峦伏的中丘陵区，地高程80-120m，岗顶高程300〜400m，相对切割深20〜60 m，地势低缓，谷地较宽阔，属I级阶地堆积地貌单元。闸址控制流集雨近12001m2，道干流长度大于601m，闸址上游坡降平均1.8!。闸址区河床宽110〜130m，河床高程57.5〜59.7m，闸上游水深4〜5m、下游水深1-3m，沿岸多发育I〜！级阶地。
图1为水河某大（！水闸上游立视图。
按中华人民共和国行业标准《水闸规范》（SL 265-2016）和《水利水电工程等划及洪水标准》（SL 252-2000）规定的标准，本工程为！等工程，主要建筑物级别为二，次要建筑物为，临时性建筑物为四级；其安评价定的防洪标准为30年一遇，校核防洪标准为50年一遇。该水闸的轴线总长135.9m，
坝轴线方向从右至左依次布置（如图1所示）：右岸水轮泵站9.8m；固定坝18.5m，坝顶高程为62.65 m；平提闸室闸顶高程为59.5m，闸前正常
捆扎胶带
收稿日期：2021-03-20
作者简介：胡素娥（1989-），女，湖南宁乡人，大学本科，工程师，主要从事水利水电设计工作，电话:%
田 田田 EB
田 田田 田
田 田曲田
田 田田 田
田 田图1 +水河某大(II )型水闸上游立视图
水位为62.5 m ，设置了 9孑L，闸孔净宽10.0 m ，闸孔中 墩厚度为1.4 m ，两侧边墩厚度为1.2 m ，闸室顺水流方 向长10.0m ，采用平底板型式，闸墩顶部高程为65.5 m ；左岸水轮泵站4.6m °水闸的过流能力(表1)：设计
洪峰流量(!=3.33%)为1 595 m #/s ，相应闸下水位63.86 m ；校核洪峰流量(!=2%)为1 908 m 3/s ，相应闸下水位
64.29 m °
表1水闸过流能力
工况
上游水位/m 下游水位
/m 流量Q /m 3-
1
上下游水位
2
差/m
设计(!=3.33%)64.1563.861 5950.29校核！ !=2%)
64.57
64.29
1 908
0.28
2消能措施
网篮法
水闸消能常用的几种技术措施各具特点，其中挑 流式消能是借助水闸出口部分的挑流鼻坎，将出泄的 高速水流向上抛射使其
闸 位置 的
水中 消能，种方施 单、后期维护方
便，在中、高水头泄水工程中应用
，但对下游的减
； 流式消能是 用水闸 侧的 坎
， 泄的 流 下 水 后 位
的水
消能的 的， 用 中、 水 泄
水 的消能；底流式消能是过 消力
氟苯尼考琥珀酸钠水 位置， 用水 的消 水流的能量，
水
的 用， 平 的平 用
依据《水闸设计规范》(SL 265-2016)，对本文选用
的 水闸 消能 水力学计算(水闸下 水位
流量 2)， 水闸 水头
闸
，泄洪时水、流量。水力 ，运情况，水闸最终采用底流消能方式来
减小泄水 的冲刷。
表2 +水河某大(II)型水闸下游水位与流量关系
水位/m
5859606162636465 66
流量/m #2-103188306
6821 0551 6852 455 3 029
3设计工艺
3.1消力池
底流消能的基本原理是使过闸水流在闸下产生一
定淹没度的水
消水流能，达保护水跃范
的 免受水流 侵蚀的目的， 过闸水流流
量 ，可下游形成淹没水；当过闸水流流量
，闸体下 水深度要是能满足淹没要求，就会
下游形成远驱水跃，对河床产生严重的冲刷侵蚀，此时
必须 过消力 后流 消能(如图2所：)。
图2 闸：消力池示意图
水闸外是否需要额外配备消力池来实现底流消
能，可根
水闸设计 〉(SL 265-2016)附录B 推
荐，过 后水深"(m )与下游水深"(m )的判别，其中后水深的计方法如下：
学 21+8#。-1 )
1)
2)
2
"”+鈿=0
缺氧池式中——收缩水深(m )；
—
—前断面水流的佛劳德数;
!和！""别表示消力池首端和末端的宽度01；
"—由消力池底板顶面算起的总势能(m)；
!—水流动能校正系数，一般取值1.0；
q---过闸单宽流量［m'/(s"m)］；
g-----重力加速度，可采用9.81m/s";
"——流速系数，取值0.95。
根据以上公式的计算，若h；'!h,，即跃后水深小于下游水深，就意味着闸后不需要再建消力池；要是h!" h,，则表示跃后水深不能被闸后尾水淹没，消力池消能。
消力池的计算消力池深度消力池度及消力池底板厚度的计算(如图2所示)。
3.1.1消力池深度
消力池深度计算可依据式(4)和式(5):
d=a0h e"-h,'-"Z(4)式中d—
—消力池深度(m)；
$0———水跃淹没系数；
AZ---出池落差(m)；
h,—
—出池河床水深(m)。
需要出的是，由于底流消能过是过闸下一淹没度的水跃消水流动能的过，当淹没度过小，水跃不，起表面后摆动，淹没度过，流速水流底，由于面的，用，消能
而会减少。根据休闸设计规范》，水闸闸下消能的水水闸的洪水标准一，并
小于消能计的流量可能出的不
，可过闸小流量流量一系流量'，求出一系列相应的临界水跃跃后水深h。"及h"-(t 为下游水深)，于(ho"-()的流量即为消能工设计流量。因此，中淹没系数设定值为1.1。高，压力脉动和流速脉动大，需要有相当坚固的结构保护河底，消力池底板(护坦板)可以保护河床不受冲刷。护坦板需要做成等厚、孔下铺设反滤层，且要作时在水流冲击作用下不会被掀起和位移，还要在扬压力和动力的合成用下不浮起。因此消力池底板厚度可依据式(8)和式(9)进行计算：
+(8)
(=*2U-Y h土P m(9)
'b
式中t---消力池底板始端厚度(m)；
*1---消力池底板计算系数，可米用0.175~ 0.20，在本案例中取值0.18；
q——确池深时的过闸单宽流量［m'/(s・m)］;
△+-----相应单宽流量的上下游水位差(m)；
*2----消力池底板安全系数，可用1.1~1.3；
U---底板底面受到的扬压力(kPa)；
'—
—水重力密度(kN/m3)；
h——池内水深(m)；
P m—底板上的脉动压力(kPa)，其值可取跃前收缩断面流速水头值的5%，底板前半部分脉动压力计算取"+”号，后半部分脉动压力计算取“-”号；
车载硬盘'—
—池底板的饱和容重(kN/m3)。
上述公式中，式(8)是照抗冲要求计算的底板始端度，式(9)照抗浮要计算的底板始端度，最终选取二者之中较大的值t值；而底板的末端厚度，可采用t/2，但是不宜小于0.5m。
以上计算显示，水闸的泄洪水头不高，对应的闸下跃弗劳德数Fr低，用底流方式消能就必须借助消力池实现跃后水流消能；消力池的结构尺寸确：池长30.0m，其中斜坡段长10.0m，水平段
20.0m，池深1.0m，底板的始端度与末端度均为0.9m(见图3)。
3.1.2消力池长度
消力池长度按式(6)和式(7)计算：
L,=L,+%L j(6)
厶=6.9(h”"-h。)(7)式中----消力池度(m)；
),—消力池水度O；
&———水跃长度校正系数，采用0.75；
厶---水跃度(m)。
3.1.3消力池底板厚度
消力池内水流流态非常紊乱，底部流速
30000
消力池20000
平底段
丄0理
林妙可被毒虫咬伤消力池
I10000
66.25斜坡段
64.29校核洪水位
•63.86设计洪水+
止水钢片
58.00
止水钢片"50PVC排水管
消力池
-57.00
C25钢筋混凝土导渗沟
图3消力池设计图
3.2海漫
由于出消力池后水流仍不稳定，依然会对下游河床产生较大的影响，因此，一般会在消力池下游加设海漫，通过海漫进一步消除水流的剩余能量，调整流速分布，使之与天然河道的稳定水流流态接近，以保护河床免受冲刷。
海漫复核计算包括海漫长度和海漫末端河床冲刷深度两个方面。
3.2.1海漫长度!
海漫长度可根据式(10)进行计算，
L=K*"g*(10)式中g*——消力池末端流量［m3/(*・m)］；
△$------上下游水位差(m)；
K*海漫长度计算，由河床的质决定，粉砂质河床的值最大，为14，坚硬粘土河床的取最小，为7。
根据计算，水的下游护和海漫的长度确定为45m。
3.2.2末端冲刷深度%-
海漫末端河床的冲刷深度可根据式(11)进行计算，
0.66g”"2q!i_^^
%m=V_'m(ID
"(s-1)g%(伊严
式中%m—海漫末端河床冲刷深度(m)；
g-——海漫末端流量,m3/(*・m)］；"2!+-詈—流态参数，当消力池池能情况
可 1.05
s——河床土粒密度，可采用2.65；
g------重力加速度，采用9.81(m/s2)；
%—
—土粒抗冲等效粒径(m)；
'm-----海漫末端河床水深(m)。
水的，下游冲深度一般为1.5〜2.5m，防冲的量可根据下游河床冲最深，可能的定，此设
%m值为2.2m。
4结果复核
消力池流消能水水，上游水位为62.65m，相应下游水位58.0m，开启第一为闸下消能设的根据水力调洪算，在步大，下游水深大，下游水，在设核水下闸上、下游水为0.29m、0.28m，此时下游水深为64.29m63.86m，流量较大，因此设核水工况不能作为闸下消能的
水的水62.65m下水58.0m一水水，由于
，在算过水流在消力池的因，消能算3算下消能冲设的与的方式
切，应尽量先开启一孔的第一级，然后再开启其余一孔的第一级，以使消能更充分。
表3泄洪闸消力池消能防冲计算结果
计算
工况
上游下游
水位水位
/m/m
单宽流量/
m#(**m)-1
第一共
\水深
/m
第二共
\水深
/m
消力池计
算深度G
/m
-
消力池计
1算长度L
/m
一孔开
0.75m
62.6559.52 5.10.53 2.9 1.0416.58
一孔开
1.5m
62.6560.129.5 1.03 3.750.9818.87
一孔开
2.8m
62.6560.2511.9 1.34 4.010.7919.15
一孔开
3.5m
62.6560.2511.9 1.34 4.010.7919.15
二孔开
1.5m
62.6560.919.5 1.08 3.630.6218.87
二孔开
3.5m
62.6561.0513.7 1.59 4.170.6919.15
三孔开
3.5m
62.6561.4813.6 1.65 4.040.4219.15
设计
工况
校核
64.1563.8617.7----
工况
64.5764.2919.8____
5结语
水闸消能历来是水利工程中备受关注的重要课题之一，由于过水流受下游落，大部分势能会转化为动能，使其流速急剧加并在下游产生剧烈紊乱的现象，若无适的消能措，其强大的冲刷能力将会对下游河床及堤岸产生侵蚀破坏，存在严的安全隐患。因此，在设计水闸时应根据水力学理论，分析过闸水
流的动力学特性，选择适的消能方式并准确计算对应设的，保证水闸运行的安全。参考文献：
［1］SL265-2016.水闸设计规范［S］.北京：中国水利出版社，2016.
［2］吴持恭.水力学［M］.北京：高等教育出版社，1982.
⑶张世儒，夏维城.水闸［M］.北京：水利电力出版社,1988.
