水闸消能相关计算浅析
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摘要：水闸的作用就在于挡水、泄水，水闸在现如今已经运用在水利建的各个方面。由于水闸泄水时，两侧水位存在高度差，会有一个重力势能向动能的转化过程，所以在水闸泄水时水流会拥有不小的动能，这样便会对下游的河床水渠进行冲刷，造成破坏。如何才能阻止水流的冲刷一直是一个急需解决的问题，而要解决这个问题首先便是要了解水闸消能问题。本文便以此为起点，对水闸消能问题做一个简要浅析。
关键词：水闸；消能；消力池
1 引言：现在所讲的水闸，早在战国时期便有了记载，而到了秦朝时期，便出现了譬如都江堰之类浩大的工程了，由此可知，水闸这项工程已经有了几千年的历史勒。在《管子》中有言“杜曲激则跃，跃则倚，倚则环，环则中”，这是说明了一个水跃的现象，而在水跃的影响下并形成回流冲刷，表明了几千年前人们便意识到了水闸的冲刷破坏。
造成水闸的冲刷现象有很多原因，比如设计上的不合理、操作上的错误。因此，水闸的消能问题是在水闸实行设计和操作中都必须时刻注意的一个关键问题，而现在普遍使用的消能方法就是底流水跃消能防冲措施。我们运用所了解的一些防冲原理对一些实际存在的水利工程进行分析并找出原因，根据实际情况对其进行合理的分析，最后采用最佳的水闸消能方式以最大限度地消除因水闸问题而造成的负面影响。
2 水闸消能现状
2.1 消能工控制条件及消能不利原因
2.1.1 对已知的一些水利工程进行研究表明：关于水闸消能工设计的控制条件，我们一直以来都是把洪水来临作为最坏条件来进行设计施工，但是事实上对于各种不同的的水闸在进行消能设计时所要求的前提并不是完全相同的。所以我们在实际的设计中要全方位地考虑多种因素来进行全面分析，实事求是的考虑到各种不利因素才能保证实际使用中的安全。
2.1.2 通过对实际使用中的一些水闸的分析得出了水闸消能率低的原因有以下几点：
① 由于受到上游水流量和下游潮位不断变化的影响，各闸水流的水位、流量及流速均在不断变化，设计者计算时未逐一分析，而只是简单地定了一个上下游水位；
② 下游水位很低时，未能结合对下游水面曲线的分析，考虑对闸门的开度、启闭顺序进行控制或设置多级消力池；
③ 未能合理设置一些消力墩等辅助消能工，促使水跃的发生；
④ 水闸的消能防冲设计仍存在很多不合理之处。
2.2 闸下泄流的特点和闸下冲刷的原因
2.2.1 水闸泄流特点
① 对于分洪闸来说，在一般情况下上下游的水位差很大，随着水位的不断升高，就会形成水跃。还有一种情况就是当进水口的水流状态处于不协调状态时，就会形成折冲水流
② 对于节制闸来说，当我们把闸门开启时有时会出现两面不对称的现象，这样也会产生折冲水流。
2.2.2 闸下冲刷的原因
① 在实际操作中原理使用不够科学，大多数的操作都没有根据具体的工程进行合理地分析上下游水位、流速、河床的多方面因素，而只是采取简单的按规则操作。这是下游冲刷严重的一个主要原因；
② 大量的开采河砂：在如今管理不完善的情况下，河砂在未经允许的情况下进行了大量的偷采，尤其是在下游偷采会使得闸下的水位更低，这就使泄水时流量与水位的严重不平衡，这是冲刷严重最应重视的原因；
③ 在一些地区由于土壤自身的原因，抗冲刷能力低；
④ 有一些河道在下游部分出现自然或人为的不均匀现象，使得水流不均匀；
⑤ 最后就是效能工的设计所出现的实际问题。
3 消能工与防护
3.1 消能工设计
我们所说的消能工就是优化水流与河道的相互接触时的条件以及保护好下游的河床设施。消能防冲的设计必须要满足在各种不利的条件下均能保证下游的安全以及河道的完整。
3.1.1 消力池布置与设计：
① 设计情况：对于每一种闸来说都有自身的特点，所以在进行设计的时候所需要的条件也不一样。对于Qmax的前提不一定满足所有类型水闸的设计要求，要选取所有可能出现的q、H的组合，综合考虑。设计每个水闸的最不利因素，作为设计条件。
（1）拦河节制闸就是要保证在上游最高的水位前提下，把多余的水泄到下游，做为条件
（2）分洪闸就是拥有最大限度的分洪流量为首要条件，保证上游洪水正常泄到下游。
（3）排水闸则是用于抗旱排涝的水闸，它的设计要满足这个要求；
（4）挡潮闸就是一个辅助的水闸，排出上游多余的水。当洪水来临时于分洪闸一起进行泄洪，对它的要求就是当上、下游有很大水位差时，要保证安全。
② 消力池参数的计算
（1）首先消力池的深度计算要根据水跃动量平衡方程进行
（2）其次是消力池所需的长度计算就用到经验公式
其中
Lsj是消力池长度；
Ls是斜坡的在水平方向上的投影长度；
β 是水跃长度校正系数，正常情况下是在0.7～0.8之间；
Lj是水跃的长度，
目前最新多采用欧勒佛托斯基公式进行计算：
（3）还有就是消力池的护坦厚度，这个厚度的确定要满足其抵抗冲刷的能力以及抗浮等要求按照下列公式进行计算，要取最大值，并且这个数值一定要大于等于0.5m：
抗冲：
抗浮：
3.1.2 布置
我们通常所用到的突槛式消力池、综合式消力池以及最为常用的下挖式消力池是实行底流使消能方法时用到基本方式。
当我们所采用下的消力池为挖式消力池时。不必太繁琐，只需与闸室底板用斜坡直接相连就行，不过对于斜坡的坡度有一定的规定，这个坡度不要陡于1：4为好。
排水孔的设定最好不要安防在斜坡段上，为了降低池底板的渗透压我们就要将护坦部分设置铅直排水，还要对底面进行一定的操作，通常是安装反滤层。
3.2 辅助消能工
3.2.1辅助消能工的作用：
在一定程度上增大水流的阻力；
对于水流紊动以及水流撞击有一定的提升；
对水跃有一定的稳定作用；
有利于分散水流。
3.2.2辅助效能工的类型:
① 消力墩
② 池首坎
③ 消力梁
④ 散流墩
3.3 上下游防护
3.3.1 闸下防冲设施：
① 海漫：在护坦下游，起作用就是吧余能进行最后一步的消除，控制流量，扩散水流。保证下流的不被冲刷。海漫是河道冲刷安全的最后一道防线。在设计和施工是不容忽视。
② 防冲槽：起到辅佐最用就是用来保护海漫，防冲槽的深度在1米到2米之间，上下游坡度一般在1：2到1：4之间。
3.3.2 消能方式
如果河流中的泥沙较多，并且伴有大量的大块石头,很容易磨蚀消力池并对消力池造成一定程度的破坏。因此，采用斜坡护坦直接与下游河道连接到一起的方法尤为重要，它具有耐磨防冲的作用。
①下挖式消力池在实际应用中存在下列问题:
（1）对于下游还要进行进一步的消能处理;
（2）需要很大的工程量且操作复杂;
（3）对于地理位置不佳，土层不稳定的地带，很难保证消力池的正常消能;
（4）长时间河道中的泥沙会淤满消力池。
②对斜坡护坦的进一步防护
对于下游弯曲的河道,护坦后设置翼墙，很难完成与下游岸坡的直接相连。所以我们在护坦的下游不进行翼墙的设置，而是在护坦下游设抛石防冲槽。对于设置了此槽的护坦，安全性会得到大大的提升，如果左侧处于冲刷最深点，防冲槽的设置会大大减轻左岸的防护工作。洪水来临时,上下不会产生太大的水位差，因此不会影响到护坦的安全防冲刷,可是如果在降雨的过程中,水位差大，水的流速较大。护坦的末端冲刷就会严重,这时抛石防冲槽的作用就尤为突出了,在很大程度上减少下游的冲刷,降低冲刷深度,保证工程在最恶劣条件下的防冲安全。
3 结语
水闸消能一直以来都是一个很重要的研究课题，尤其是在粉砂地基上建闸，为了使建成后的水闸能够安全地运行以发挥出最大的效益，一定要认真地对待，绝不能出现差错。需要注意的一个问题是要针对不同的工程情况、采用全方位多角度的眼光来看待，只有这样才能建造出最优质、最安全的工程。
参考文献:
[1]水利部水利建设与管理总站.水闸安全鉴定技术指南.郑州:黄河水利出版社, 2009.
[2]陈健．深度探讨水闸设计要点及方法．《科技资讯》，2010(33)，107-108
[3]吴绍祝．高落差水闸消能防冲设计探讨．《广东水利水电》，2010(11)，74-75
[4]秦文保．水工建筑物中水闸消能设计的计算方法分析．《陕西水利》，2010(4)，138-139
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。