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摘要：水闸消能主要根据上、下游水位以及单宽流量进行计算，究竟应该选用怎样的工况。本文从不同工况选取的探讨入手，分析不同选取方法的科学性、合理性。以此为基础，通过不同工况下水闸消能计算初步验证了工况选取与消能计算结果之间的关系。结果表明，水闸消能计算结果随着消能工况的选取不同差别很大，因此，水闸消能计算一定要选取合适的工况。
关键词：水闸消能；底流消能；消能计算工况
中图分类号：TV66 文献标识码：A 文章编号：
一、引言
底流式消能广泛应用于各类地基上的中、低水头的泄水建筑物，尤其在平原地区的水闸工程中应用非常普遍。
消力池的作用是让水流在池内持续翻滚，形成完全水跃。在水跃区中由于流速分布急剧变化，紊动和掺混作用十分强烈，水流内部产生强烈的摩擦和掺混作用消耗大量的机械能。通过完全水跃消耗掉部分或者大部分机械能，以保护下游河床和两岸河岸免受下泄急流的冲刷。
底流式消力池主要型式有三种：挖深式、突槛式（尾坎式）和综合式。消力池的确定主要是计算消力池结构所需要的深度、长度以及底板的厚度。
在闸门逐步开启过程中，随着流量逐渐加大，下游河道内形成洪水波向前推进，水位不能随流量的增加而同步上升，出现滞后现象。因此，将闸门开度或者孔数分成几个档次进行消能计算是很有必要的。
二、基本计算方法
基本计算公式采用《水闸设计规范》（SL265-2001）附录B中的相关公式，参照《水力计算手册》（李炜，武汉大学水利水电学院水利学流体力学教研室），宽顶堰堰流和孔流界限为0.65。
1． 消力池深度计算
消力池深度按下列公式进行计算：
2． 消力池长度计算
消力池长度按下列公式进行计算：
3． 海漫长度计算
4． 河床冲刷深度计算
海漫末端的河床冲刷深度按下列公式进行计算：
三、计算分析及成果比较
消力池厚度考虑消力池整体抗浮，按软件计算结果综合平衡取值，然后与各工况抗冲要求厚度比较选大值。
由公式（3）可知，主要由总势能和单宽流量决定；其中，若水闸上游在正常情况下，维持正常蓄水位，基本不变。因此，可看作基本由变量决定；同时由公式（2）和公式（4）可知，、也由基本决定。最后，从公式（1）可看出，消力池深度由和出池河床水深得出。
根据公式（5）、（6）、（7）、（8）可以看出，在上游维持一定水位的情况下，消力池长度由决定，海漫长度基本由和下游河床水深决定，末端冲刷深度亦间接由和末端河床水深决定。
本次以凤凰水闸为例进行比较分析，凤凰水闸基本工程概况如下。
共成河发源于新兴县水源山，是一座具有灌溉效益的拦河闸，集雨面积129平方公里，河长29公里，坡降7.5‰。
凤凰水闸位于新兴县太平镇江上村委，处于新兴江支流共成河中游，距县城约7公里，拦河闸上游集雨面积89平方公里。设计洪水标准为20年一遇（相应流量Q=551.3m3/s），对应上、下游水位分别为35.42m、33.03m；校核洪水标准为50年一遇（相应流量Q=661.2m3/s），对应上、下游水位分别为35.81m、33.38m。水闸为平底宽顶堰，堰顶高程定32.50m，12孔，每孔净宽5m，总净宽60m。
消能计算时，根据取用上一档次流量相应的水位为下游水位为原则，分别取一系列工况进行计算。
（1）按开度分档次
闸门全开情况下，按开度分级别取一系列工况，上游正常蓄水深2.5m，闸门高2.8m，以0.5m为初始开度，1.9m开度内为孔流，以0.2m为分级标准；1.9m~2.6m之间为堰流起始阶段，对应下游水位对流量影响较大，流量随水位变化不明显，但不影响此次消能计算，2.6m后基本以0.2m为分档间距直至校核水位35.81m，消能基本数据见表1。
表1 按开度分档次消能计算基本数据
此时，工况2情况下，跃后水深与下游水深之差的值最大，所对应的消力池深度为0.927m，池长按最大流量所对应的数值为21.933m。
（2）按运行调度方式分档次
正常蓄水位情况下，在闸门正常运行管理过程中，将闸门开启孔数分成几个档次，每2孔为一种工况，下游水位查“水位～流量关系曲线图”；初始工况为下游水深0.5m，下游水位28.30m；计算时选用与上一档次泄量相应的水位为下游水位；闸门全开后增加上游水位，每0.3m为一种工况，至校核水位为止，下游水位选用与上一档次泄量相应的下游水位。
设计拟用在消力池末端接一段钢筋砼海漫，然后用不缓于1：10的斜坡海漫连接到下游河道。经试算，初估海漫斜坡段长度为30m，计算时，假定海漫平段高程为27.8+30×1/12=30.3m。消能基本数据见表2。
表2 按运行调度方式分档次消能计算基本数据
工况1、工况2下游水位分别为28.30m、29.60m，低于下游底部高程。先按工况3～9考虑下挖式消力池，工况5情况下，跃后水深与下游水深只差的值最大，所对应的消力池深度为0.951m，池长仍然按最大流量所对应的数值为21.999m。
此时，由于工况1、工况2对应下游河道水面高程比消力池末端平段海漫高程底，因此考虑凸槛式消力池按如下公式联合计算
计算消力槛高度c公式：； （9）
计算跃后水深公式：（10）
计算收缩断面水深公式：（11）
计算得工况1、工况2所需要的消力槛高度分别为0.721m、0.868m，然后在后端海漫段继续消能。这次设计考虑到后期河床下切、河道水位下游，为确保将来河床下切后仍能在消力池产生充分水滚，水跃消能，设计取消力池池深0.951+0.349=1.3m（加深0.349m），池长22m，底板厚度1.0m>(1.287+0.643)/2=0.965m（消力池底板当作整体抗浮），海漫长度50m，末端接2m深抛石防冲槽。
从上面数据可以看出，两种方式计算结果相近，按开度分档次计算结果以工况2作为池深设计工况，按运行调度方式分档次计算结果以工况5作为池深设计工况，均符合水闸消能计算一般规律。从理论上说，两种消能计算方式均可行。
四、结论与建议
按开度分档次比较通用，方式简单，便于各种基本数据的确定，计算结果符合水闸消能计算一般规律。但是，按开度分档次随意性较大，人为因素比较重要，起始开度和分档间距对经验要求很高；而且由于水力学的不确定性，容易造成前几个工况数据错误或误差很大，极大影响池深计算结果。
按运行调度方式分档次比较接近水闸正常运行情况，能较真实地反应水闸下泄洪水过程。但是分档次跨度较大，未考虑闸门开启过程中下游水位的升高，计算结果较实际大；而且计算方式随着不同工程有不同的变化，相应基本数据的确定相对复杂。
综上所述，由于其它方面的误差因素，消能工况只能比较接近真实地模拟水流下泄过程。按运行调度方式分档次方法尽管间距较大，但更接近真实水流下泄过程，较大的池深可以作为水跃裕度以保证完全水跃的可能性。因此，建议按运行调度方式分档次确定各水闸的消能工况。
参考文献：
[1] 江苏省水利勘测设计研究院：《水闸设计规范》[S]，中国水利水电出版社， 2001年第1版
[2] 陈宝华、张世儒：《水闸》[M]，中国水利水电出版社，2003年第1版
[3] 華东水利学院：《水工设计手册》[M]，水利电力出版社，1983年第1版
[4] 李大美、杨小亭：《水力学》[M]，武汉大学出版社，2004年第1版
关键词：水闸消能；底流消能；消能计算工况
中图分类号：TV66 文献标识码：A 文章编号：
一、引言
底流式消能广泛应用于各类地基上的中、低水头的泄水建筑物，尤其在平原地区的水闸工程中应用非常普遍。
消力池的作用是让水流在池内持续翻滚，形成完全水跃。在水跃区中由于流速分布急剧变化，紊动和掺混作用十分强烈，水流内部产生强烈的摩擦和掺混作用消耗大量的机械能。通过完全水跃消耗掉部分或者大部分机械能，以保护下游河床和两岸河岸免受下泄急流的冲刷。
底流式消力池主要型式有三种：挖深式、突槛式（尾坎式）和综合式。消力池的确定主要是计算消力池结构所需要的深度、长度以及底板的厚度。
在闸门逐步开启过程中，随着流量逐渐加大，下游河道内形成洪水波向前推进，水位不能随流量的增加而同步上升，出现滞后现象。因此，将闸门开度或者孔数分成几个档次进行消能计算是很有必要的。
二、基本计算方法
基本计算公式采用《水闸设计规范》（SL265-2001）附录B中的相关公式，参照《水力计算手册》（李炜，武汉大学水利水电学院水利学流体力学教研室），宽顶堰堰流和孔流界限为0.65。
1． 消力池深度计算
消力池深度按下列公式进行计算：
2． 消力池长度计算
消力池长度按下列公式进行计算：
3． 海漫长度计算
4． 河床冲刷深度计算
海漫末端的河床冲刷深度按下列公式进行计算：
三、计算分析及成果比较
消力池厚度考虑消力池整体抗浮，按软件计算结果综合平衡取值，然后与各工况抗冲要求厚度比较选大值。
由公式（3）可知，主要由总势能和单宽流量决定；其中，若水闸上游在正常情况下，维持正常蓄水位，基本不变。因此，可看作基本由变量决定；同时由公式（2）和公式（4）可知，、也由基本决定。最后，从公式（1）可看出，消力池深度由和出池河床水深得出。
根据公式（5）、（6）、（7）、（8）可以看出，在上游维持一定水位的情况下，消力池长度由决定，海漫长度基本由和下游河床水深决定，末端冲刷深度亦间接由和末端河床水深决定。
本次以凤凰水闸为例进行比较分析，凤凰水闸基本工程概况如下。
共成河发源于新兴县水源山，是一座具有灌溉效益的拦河闸，集雨面积129平方公里，河长29公里，坡降7.5‰。
凤凰水闸位于新兴县太平镇江上村委，处于新兴江支流共成河中游，距县城约7公里，拦河闸上游集雨面积89平方公里。设计洪水标准为20年一遇（相应流量Q=551.3m3/s），对应上、下游水位分别为35.42m、33.03m；校核洪水标准为50年一遇（相应流量Q=661.2m3/s），对应上、下游水位分别为35.81m、33.38m。水闸为平底宽顶堰，堰顶高程定32.50m，12孔，每孔净宽5m，总净宽60m。
消能计算时，根据取用上一档次流量相应的水位为下游水位为原则，分别取一系列工况进行计算。
（1）按开度分档次
闸门全开情况下，按开度分级别取一系列工况，上游正常蓄水深2.5m，闸门高2.8m，以0.5m为初始开度，1.9m开度内为孔流，以0.2m为分级标准；1.9m~2.6m之间为堰流起始阶段，对应下游水位对流量影响较大，流量随水位变化不明显，但不影响此次消能计算，2.6m后基本以0.2m为分档间距直至校核水位35.81m，消能基本数据见表1。
表1 按开度分档次消能计算基本数据
此时，工况2情况下，跃后水深与下游水深之差的值最大，所对应的消力池深度为0.927m，池长按最大流量所对应的数值为21.933m。
（2）按运行调度方式分档次
正常蓄水位情况下，在闸门正常运行管理过程中，将闸门开启孔数分成几个档次，每2孔为一种工况，下游水位查“水位～流量关系曲线图”；初始工况为下游水深0.5m，下游水位28.30m；计算时选用与上一档次泄量相应的水位为下游水位；闸门全开后增加上游水位，每0.3m为一种工况，至校核水位为止，下游水位选用与上一档次泄量相应的下游水位。
设计拟用在消力池末端接一段钢筋砼海漫，然后用不缓于1：10的斜坡海漫连接到下游河道。经试算，初估海漫斜坡段长度为30m，计算时，假定海漫平段高程为27.8+30×1/12=30.3m。消能基本数据见表2。
表2 按运行调度方式分档次消能计算基本数据
工况1、工况2下游水位分别为28.30m、29.60m，低于下游底部高程。先按工况3～9考虑下挖式消力池，工况5情况下，跃后水深与下游水深只差的值最大，所对应的消力池深度为0.951m，池长仍然按最大流量所对应的数值为21.999m。
此时，由于工况1、工况2对应下游河道水面高程比消力池末端平段海漫高程底，因此考虑凸槛式消力池按如下公式联合计算
计算消力槛高度c公式：； （9）
计算跃后水深公式：（10）
计算收缩断面水深公式：（11）
计算得工况1、工况2所需要的消力槛高度分别为0.721m、0.868m，然后在后端海漫段继续消能。这次设计考虑到后期河床下切、河道水位下游，为确保将来河床下切后仍能在消力池产生充分水滚，水跃消能，设计取消力池池深0.951+0.349=1.3m（加深0.349m），池长22m，底板厚度1.0m>(1.287+0.643)/2=0.965m（消力池底板当作整体抗浮），海漫长度50m，末端接2m深抛石防冲槽。
从上面数据可以看出，两种方式计算结果相近，按开度分档次计算结果以工况2作为池深设计工况，按运行调度方式分档次计算结果以工况5作为池深设计工况，均符合水闸消能计算一般规律。从理论上说，两种消能计算方式均可行。
四、结论与建议
按开度分档次比较通用，方式简单，便于各种基本数据的确定，计算结果符合水闸消能计算一般规律。但是，按开度分档次随意性较大，人为因素比较重要，起始开度和分档间距对经验要求很高；而且由于水力学的不确定性，容易造成前几个工况数据错误或误差很大，极大影响池深计算结果。
按运行调度方式分档次比较接近水闸正常运行情况，能较真实地反应水闸下泄洪水过程。但是分档次跨度较大，未考虑闸门开启过程中下游水位的升高，计算结果较实际大；而且计算方式随着不同工程有不同的变化，相应基本数据的确定相对复杂。
综上所述，由于其它方面的误差因素，消能工况只能比较接近真实地模拟水流下泄过程。按运行调度方式分档次方法尽管间距较大，但更接近真实水流下泄过程，较大的池深可以作为水跃裕度以保证完全水跃的可能性。因此，建议按运行调度方式分档次确定各水闸的消能工况。
参考文献：
[1] 江苏省水利勘测设计研究院：《水闸设计规范》[S]，中国水利水电出版社， 2001年第1版
[2] 陈宝华、张世儒：《水闸》[M]，中国水利水电出版社，2003年第1版
[3] 華东水利学院：《水工设计手册》[M]，水利电力出版社，1983年第1版
[4] 李大美、杨小亭：《水力学》[M]，武汉大学出版社，2004年第1版