邓水明
(中水珠江规划勘测设计有限公司，广东 广州 510610)
消能防冲设施的安排，需结合项目实际，进行技术经济比较后确定。在滨海和平原地区，水闸通常建在软土地基上，虽然承受水头不高，但下游河床的抗冲能力较低，在工程应用上主要采用底流式消能[1-2]。底流式消能的3种主要型式为下挖式消力池、突槛式消力池和综合式消力池，作为常用的低水头挡水建筑物，许多研究人员对水闸的消能特性做了大量的研究，在工程方面积累了不少经验；
黄坤慧[3]分析其消能工设计的相关计算方法，以潮州供水枢纽水闸为例；
李育华[4]以工程实例为依据，对措施进行分析，提高能源消纳效果；
麦栋玲[5]和宫鹏杰[6]在不同开度下，通过物理模型试验，对水闸的运行流态和水流量的衔接进行分析。
本文以龙穴拦河水闸的消能特性为基础，在相同设计条件下对龙穴拦河闸底流消能工的型式进行分析，并提出适用于龙穴拦河闸底流消能的主要型式。
在运行过程中，水闸需要有可靠的消能防冲设施，才能在可能出现的各种水力条件下，满足动能消散和水流均匀扩散的要求，以及与下游河道良好的衔接。消能工的设计需结合水力条件、闸基地质情况和闸门控制运用方式等因素，综合分析确定闸下水位变化对消能防冲设施的不利影响，并考虑水闸建成后上、下游河床可能出现冲刷下切或淤积，以及闸下水位变化等情况[7]在选择单宽设计流量时，需综合考虑下游河床地质条件、闸室总宽度与河道宽度之比、下游水深、上下水位之差、闸门结构特点及消能防冲等因素，综合考虑闸室总宽度与河道宽度之比[8-9]。通常，池深的计算流量不一定是为大流量，跃后水深与出池河床水深之差最大时的相应流量为计算流量；
消力池的长度以最大流量通过为设计流量。
控制消能设计的水力条件因泄流特性不同、闸型不同而不尽相同。运用过程中可能出现的各种不利条件和操作方法，都需要考虑[10]。对于拦河闸，在宣泄不同流量时，保持闸上最高挡水位不变，选择下游最不利的水位对应工况作为消能设计的控制工况。
在设计时，需对可能出现的最不利水位组合及各种水力条件进行计算，以确定底流消能工的体型和尺寸。下挖式消力池计算示意图如图1所示，消力池的控制尺寸根据《水闸设计规范》[11]推荐的公式计算：
图1 下挖式消力池计算示意图
(1)
(2)
(3)
(4)
Lsj=Ls+β·Lj
(5)
(6)
式中，Lsj—池长，m；
Ls—斜坡段水平投影长度，m；
β—校正系数；
Lj—水跃跃长，m。
(7)
(8)
式中，t—首端厚度，m；
ΔH—上、下游水位差，m；
k1—计算系数，取0.15；
k2—安全系数，取1.1；
U—扬压力，kPa；
W—水重，kPa；
Pm—脉动压力，kPa；
γb—饱和重度，kN/m3。
突槛式消力池计算示意图如图2所示，消力池槛高、长度按下式计算：
图2 突槛式消力池计算示意图
c=σ0h″c-H1
(9)
综合式消力池计算示意图如图3所示，消力池槛高、长度按下式计算：
(10)
图3 综合式消力池计算示意图
龙穴拦河闸位于中山市南朗镇鸡头角涌涌口处，临近横门水道，是南朗镇丰埠湖联围围内的水利工程。拦河闸正常设计流量为28m3/s，闸孔宽度为3m，闸上游水深为3.3m，闸门后的闸室段长为4m；
闸上游与下游河底高差为4m；
闸后接下游河道，采用1∶4的陡坡衔接，陡坡段为等宽矩形断面，底宽3m；
闸室及陡坡段混凝土的糙率为0.014；
河道底宽为8m，比降为1/7737，糙率为0.025，边坡系数为2。
进行闸门逐渐开启泄流过程中各种流量时的下挖式、突槛式、综合式消力池计算时，计算控制条件为在闸门开启过程中，闸上游水深保持3.3m不变，不计行近流速，下游河道水深随各种下泄流量改变。消力池为等宽3.0m。计算采用10个流量级，最小流量为2.8m3/s，其余每个流量级按2.8m3/s递增，最大流量为28m3/s。拦河闸消能计算基本资料见表1。
表1 拦河闸消能计算基本资料
龙穴拦河闸下挖式消力池计算示意图如图4所示。消能计算成果见表2。
表2 下挖式消力池消能计算成果
图4 龙穴拦河闸下挖式消力池计算示意图
由表2可知，按确定设计流量的原则：跃后水深与下游水深之差的最大值所对应的设计流量为28m3/s，该流量对应的池深为1.378m；
通过最大流量的池长为18.98m、池底板厚为0.885m。下挖式消力池所需混凝土为112.62m3。
龙穴拦河闸突槛式消力池计算示意图如图5所示。消能计算成果见表3。
表3 突槛式消力池消能计算成果
图5 龙穴拦河闸突槛式消力池计算示意图
从表3可知，按确定设计流量的原则：跃后水深与下游水深之差的最大值所对应的设计流量为28m3/s，该流量对应的消力坎高为1.685m；
通过最大流量时消能工长度为17.23m，池底板厚度为0.885m。突槛式消力池所需混凝土为100.74m3。
龙穴拦河闸综合式消力池计算示意图如图6所示。消能计算成果见表4。
表4 综合式消力池消能计算成果
图6 龙穴拦河闸综合式消力池计算示意图
从表4可知，按照确定设计流量的原则：跃后水深与下游水深之差的最大值所对应的设计流量为28m3/s，该流量对应的坎高为0.932m、对应的池深为0.922m；
通过最大流量时对应的消能工长度为18.44m。池底板厚度为0.885m。综合式消力池所需混凝土为110.64m3。
基于龙穴拦河闸的工程特点，对龙穴拦河闸底流消能工的工程设计条件、消能防冲计算进行分析，得出下挖式消力池、突槛式消力池、综合式消力池在不同闸门开度下的特征尺寸。通过分析可知，最大流量为控制消能工长度的设计流量；
跃后水深与下游河床水深之差最大时对应的流量为控制池深的设计流量；
在下游河床水深与跃后水深相差不大的情况，选择下挖式消力池作为消能工更为经济合理。对于类似项目的设计，从消能工的经济性、合理性、可靠性等方面考虑，这种分析方法具有较大的参考价值。