CN104120690A - 拦河闸下游一级消力池尾坎高度计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了拦河闸下游一级消力池尾坎高度计算方法，根据一级消力池水平段池底高程、拦河闸泄流单宽流量、池底总水头、流速系数等，计算出一级消力池的进口收缩断面水深、跃后水深和水跃长度；根据池末的尾坎高度初值、尾坎体型和尾坎下游陡坡段的坡度，计算出尾坎顶的水深值；并重复计算得到优化的尾坎高度和水平段池长值；最后对尾坎高度值进行合理性验证。本发明根据尾坎高度初值和尾坎顶水深值的重复计算，得到优化布置的尾坎高度和水平段池长值，提升了现有拦河闸下游消能防冲的水力计算的精确性；并通过对尾坎高度值进行合理性验证，保证工程应用的安全性。本发明作为拦河闸下游一级消力池尾坎高度计算方法，可广泛应用于水利工程领域。

Description

拦河闸下游一级消力池尾坎高度计算方法

技术领域

本发明涉及水利工程领域，尤其是拦河闸下游一级消力池尾坎高度计算方法。

背景技术

底流消能是低水头拦河闸泄流消能最为常用的一种方法。通常可根据拦河闸泄流落差、闸址地形和地质条件、两岸翼墙和堤围的安全、工程施工和投资等，选择修建一级或两级消力池。目前，由于众多的拦河闸下游河道河床下切、水位降低，造成拦河闸下游消能工出险，需进行除险改造，拦河闸下游消能工除险改造在以下两种情况下，可以优先考虑采用两级消力池布置：1)现状消力池仍可加以利用；2)若现状消力池无法使用，但闸下游采用一级消力池布置会使消力池两岸端翼墙过高、影响两岸堤围的稳定和安全，或工程投资过大、施工困难等。因此，以上的两种情况可在现状消力池加固改造或重建的基础上，在其下游增设二级消力池，采用分级消能以确保工程的安全运行。

由于拦河闸下游采用两级消力池运行的水流条件较复杂，其体型布置和水力计算方法也相对较复杂，相关的研究成果所见不多。通常，设置两级消力池的拦河闸下游一级消力池在中小洪水流量(甚至大洪水流量)运行时，下游河道水位往往较低，一级消力池尾坎出流多呈自由出流状况。因此，在拦河闸各级洪水流量泄流条件下，一级消力池内应形成稳定的水跃，不应出现折冲水流、远驱式水跃等不良流态，池末端尾坎出流应较平稳沿下游陡坡段进入二级消力池。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的是：拦河闸下游一级消力池尾坎高度计算方法。

本发明所采用的技术方案是：拦河闸下游一级消力池尾坎高度计算方法，包括有以下步骤：

A、根据一级消力池水平段池底高程、拦河闸泄流单宽流量、池底总水头、流速系数，计算出一级消力池的进口收缩断面水深、跃后水深和水跃长度；

B、根据尾坎高度初值、尾坎体型和尾坎下游陡坡段的坡度，计算尾坎顶水深值；

C、根据尾坎高度初值和尾坎顶水深值的重复计算，得到优化的尾坎高度和水平段池长值；

D、对上述计算得到的尾坎高度值进行合理性验证。

进一步，所述步骤B具体为：根据尾坎高度初值、尾坎体型和尾坎下游陡坡段的坡度，得出尾坎泄流的流量系数，进而计算尾坎顶的水深值。

进一步，所述步骤C中重复计算的次数根据拦河闸上游为正常蓄水位相应的闸门控泄的最大闸门开度运行的水文组次或设计洪水频率流量和校核洪水频率流量泄流运行的水文组次得出。

进一步，所述步骤C包括有以下子步骤：

C1、根据尾坎高度初值与尾坎顶水深值之和与跃后水深的比例确定水平段池长；

C2、重复上述步骤，计算出优化的尾坎高度和水平段池长值。

进一步，所述步骤C1中确定水平段池长的具体过程为：

当比例的取值范围属于1.1～1.2时，水平段池长为水跃长度与系数k的乘积，k的取值范围为0.95～1；

当比例的取值范围属于1.2～1.3时，水平段池长为水跃长度与系数k’的乘积，k’的取值范围为0.85～0.95。

进一步，所述步骤D的合理性验证的具体过程为：

若尾坎顶高程值低于拦河闸闸室堰顶高程，则尾坎高度值是合理的；

若尾坎顶高程值不低于拦河闸闸室堰顶高程，则在设计洪水频率和校核洪水频率流量运行条件下，计算拦河闸泄流能力是否能够满足工程设计的要求。

本发明的有益效果是：本发明根据尾坎高度初值和尾坎顶水深值的重复计算，得到优化的尾坎高度和水平段池长值，提升了现有拦河闸下游消能防冲的水力计算的精确性；并通过对上述计算得到的尾坎高度值进行合理性验证，即在设计洪水和校核洪水等洪水频率流量运行条件下，计算复核拦河闸泄流能力是否能够满足工程设计的要求，保证工程应用的安全性。

附图说明

图1为拦河闸下游消力池体型和水力参数示意；

图2为拦河闸下游水跃的水力参数示意；

图3为一级消力池体型和水力参数示意图；

图4为本发明的方法步骤流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：

参照图1、图2和图3，说明拦河闸下游消力池体型和水力各参数：

根据《水闸设计规范》(SL265-2001)等，通常采用下列公式计算拦河闸下游消力池的水力参数和体型参数：

进口收缩断面水深h₁      $h_1=\frac{q}{\mathrm{\φ}\sqrt{2g(E_0-h_1)}}$

跃后水深h₂          $h_2=\frac{h_1}{2}(\sqrt{1+8F_{r1}^2}-1)$

池长L_sj        L_sj＝L_s+βL_j

L_j＝6.9(h₂-h₁)

池深S            S＝σh₂-t-ΔZ

$\mathrm{\ΔZ}=\frac{q^2}{2g}(\frac{1}{{\mathrm{\ω}}^2{t}^2}-\frac{1}{{h_2}^2})$

式中，q为拦河闸泄流单宽流量；E₀为以消力池底板为基准计算的总水头；φ为流速系数；g为重力加速度；F_r1为消力池进口佛劳德数(v为进口断面平均流速)；L_sj为消力池长度；L_s为消力池斜坡段水平投影长度；L_j为水跃长度；β为水跃长度校正系数，可取0.7～0.8；σ为水跃淹没度，可取σ＝1.05～1.1；t为消力池下游水深；ΔZ为消力池末端出口水面落差；ω为消力池出口段流速系数，可取ω＝0.95。

按照上述公式，在工程设计中，在已知拦河闸泄流单宽流量q、总水头E₀、消力池下游水深t(或闸下游水位Z_t)等水力参数条件下，可计算出拦河闸下游消力池的水跃参数(如消力池进口收缩断面水深h₁、跃后水深h₂、水跃长度L_j等)、池长L_sj和池深S等。

为了使拦河闸下游一级消力池内能够形成稳定的水跃，应满足消力池尾坎前缘水深(T+h)＞h₂(h₂为跃后水深)、水平段池长L＞βL_j(β为系数，L_j为水跃长度)的要求，本发明具体实施方法如下：

A、根据一级消力池水平段池底高程、拦河闸泄流单宽流量q、池底总水头E₀、流速系数φ，计算出消力池的进口收缩断面水深h₁、跃后水深h₂和水跃长度L_j；

一级消力池水平段池底高程可根据工程的布置、地质和地形、施工条件和工程投资等确定。

B、根据尾坎高度初值T₀、尾坎体型和尾坎下游陡坡段的坡度，计算尾坎顶水深值；

根据初选的T₀值、尾坎体型、尾坎下游陡坡段的坡度(即一、二级消力池之间陡坡段的坡度)等，查阅有关水力计算手册(如《水力计算手册》等)，查出尾坎泄流的流量系数m，计算出一级消力池尾坎顶的水深值h(计算式为q₀为一级消力池尾坎单宽流量)。

C、根据尾坎高度初值和尾坎顶水深值的重复计算，得到尾坎高度和水平段池长值；

根据初选的尾坎高度T₀和计算的尾坎顶水头h等，由(T₀+h)/h₂的比值，确定消力池水平段池长L，具体方法为：①为了使一级消力池内形成稳定的水跃，若(T₀+h)/h₂＝1.1～1.2，可取L/L_j＝1～0.95；②若(T₀+h)/h₂＝1.2～1.3，则可取L/L_j＝0.95～0.85。

因此，通过反复的调整和计算消力池末端尾坎的高度T值，直至得出一级消力池合理的尾坎高度T(即池深)和水平段池长L。

所述步骤C中重复计算的次数选择拦河闸运行的有代表性的水文组次，即根据拦河闸上游为正常蓄水位相应的闸门控泄的最大闸门开度运行的水文组次或设计洪水频率流量和校核洪水频率流量泄流运行的水文组次得出。

D、对上述计算得到的尾坎高度值进行合理性验证。

若尾坎顶高程值低于拦河闸闸室堰顶高程，则一级消力池池末的尾坎设置对拦河闸的泄流能力无影响，因此一级消力池池末尾坎的高度设置是合理的。

若尾坎顶高程值不低于拦河闸闸室堰顶高程，则在设计洪水频率和校核洪水频率流量运行条件下，计算拦河闸泄流能力是否能够满足工程设计的要求。具体的计算方法为：

在新建的拦河闸工程中，若受闸址地形和地质条件、两岸翼墙和堤围的安全、工程施工和投资等影响，一级消力池底板基础不宜开挖的太深；或者在现状的拦河闸下游消力池除险改造中，若其一级消力池底板仍可以利用等，为了满足一级消力池消能和池深布置的要求，可将其池末尾坎顶适当加高，甚至将尾坎顶加高至略高于拦河闸闸室堰顶高程。一级消力池末端尾坎顶加高之后，应在设计洪水和校核洪水等洪水频率流量运行条件下，计算复核拦河闸泄流能力是否能够满足工程设计的要求，计算复核可在相应洪水流量的拦河闸下游水位条件下，一级消力池尾坎顶过水面积应大于拦河闸闸孔总净过水面积。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可以作出种种的等同变换或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (6)

1.拦河闸下游一级消力池尾坎高度计算方法，其特征在于：包括有以下步骤：

A、根据一级消力池水平段池底高程、拦河闸泄流单宽流量、池底总水头、流速系数，计算出一级消力池的进口收缩断面水深、跃后水深和水跃长度；

B、根据尾坎高度初值、尾坎的体型和尾坎下游陡坡段的坡度计算尾坎顶水深值；

C、根据尾坎高度初值和尾坎顶水深值的重复计算，得到优化的尾坎高度和水平段池长值；

D、对上述计算得到的尾坎高度值进行合理性验证。

2.根据权利要求1所述的拦河闸下游一级消力池尾坎高度计算方法，其特征在于：所述步骤B具体为：根据尾坎高度初值、尾坎体型和尾坎下游陡坡段的坡度，得出尾坎泄流的流量系数，进而计算尾坎顶水深值。

3.根据权利要求1所述的拦河闸下游一级消力池尾坎高度计算方法，其特征在于：所述步骤C中重复计算的次数根据拦河闸上游为正常蓄水位相应的闸门控泄的最大闸门开度运行的水文组次或设计洪水频率流量和校核洪水频率流量泄流运行的水文组次得出。

4.根据权利要求3所述的拦河闸下游一级消力池尾坎高度计算方法，其特征在于：所述步骤C包括有以下子步骤：

C1、根据尾坎高度初值与尾坎顶水深值之和与跃后水深的比例确定水平段池长；

C2、重复上述步骤，计算出优化的尾坎高度和水平段池长值。

5.根据权利要求4所述的拦河闸下游一级消力池尾坎高度计算方法，其特征在于：所述步骤C1中确定水平段池长的具体过程为：

当比例的取值范围属于1.1～1.2时，水平段池长为水跃长度与系数k的乘积，k的取值范围为0.95～1；

当比例的取值范围属于1.2～1.3时，水平段池长为水跃长度与系数k’的乘积，k’的取值范围为0.85～0.95。

6.根据权利要求1所述的拦河闸下游一级消力池尾坎高度计算方法，其特征在于：所述步骤D的合理性验证的具体过程为：

    若尾坎顶高程值低于拦河闸闸室堰顶高程，则尾坎高度值是合理的；

    若尾坎顶高程值不低于拦河闸闸室堰顶高程，则在设计洪水频率和校核洪水频率流量运行条件下，计算拦河闸泄流能力是否能够满足工程设计的要求。