挖深式消力池水力计算的初步探讨

消力池池深的简化计算法滕凯【摘要】通过对池深水力计算相关方程组进行数学变换,采用优化拟合的方法,以标准剩余差最小为目标函数,在工程实用范围内,经逐次逼近拟合获得了可直接进行方程组联立求解、最大相对误差小于2.8％的近似公式(其中相对误差小于1.0％的计算点占总点数的84％),具有一定的推广意义.【期刊名称】《水科学与工程技术》【年(卷),期】2012(000)002【总页数】4页(P36-39)【关键词】消力池深;高次方程组;优化拟合;近似计算【作者】滕凯【作者单位】齐齐哈尔市水务局,黑龙江齐齐哈尔161006【正文语种】中文【中图分类】TV131池式消能工具有适用范围宽、运行工况简单、消能效果好等优点，在中、低水头水工建筑物的下游消能工设计中常常被采用。

现行的《设计手册》[1]、《计算手册》[2]及《设计规范》[3]给出的消力池深计算方法均需联立求解收缩水深、共轭水深及消力池深3个方程，由于收缩水深计算涉及高次方程求解，无法直接获得，目前常用的计算方法主要有图解法[1，4]、试算法[2，5]、迭代法[6，7]、近似法[8～10]及计算机求解法[11-12]。

图解法人为误差较大、试算及迭代法计算过程繁复，利用微机编程求解又不便于基层工程技术人员应用。

在这些计算方法中，从公式及计算过程看，简化近似计算法相对较好。

在现有的近似算法成果中，文献[10]推荐的计算公式稍好，该公式是从底流的消能负荷出发，将其消能过程划分为3个阶段，并在一定的假定条件下分别引入能量损失方程，通过整理和优化拟合后给出了可直接获解消力池深的简化近似计算公式，但该公式由于动能修正系数的假定及拟合差的存在，实际计算成果误差仍显较大，且其实用范围仅为2.0＜Fr＜9.0（Fr为收缩断面的弗汝德数），难以满足实际工程的设计要求。

为进一步简化消力池深的计算过程，提高求解成果精度，本文采用优化拟合的方法，通过对原方程组进行变形整理，以标准剩余差最小为目标函数，获得了隐含高次方程组的简化拟合替代式，在工程实用范围内，最大拟合误差小于2.8%（其中相对误差在2.0%～2.8%范围内的计算点数仅占总点数的3%，且匀分布于实用区域边缘），并实现了方程组可直接联立求解，计算过程简捷，成果精度较高。

关于水闸消力池深度计算的探讨水闸消力池是水利工程中的重要设施，用于消除水流进入下游水闸时所带来的冲击力和能量。

消力池的深度计算是设计和施工过程中必不可少的一项内容，合理的深度计算可以确保消力池的正常运行和安全性。

本文将从水闸消力池的功能、深度计算的理论基础和计算方法等方面展开讨论。

首先，了解水闸消力池的功能对于深度计算非常重要。

消力池主要用于减缓进入下游水闸的水流速度，并通过将水流引导至深水区域来降低冲击力和能量。

消力池的设计要考虑到水流的流量、速度、河道条件等因素，以确保水闸下游以及周围的安全性。

深度计算的理论基础主要涉及水流力学中的动量定理和能量定理。

动量定理指出，当水流到达消力池时，流体的动量要等于冲击物体的动量，通过合理设置消力池的深度可以保持力的平衡。

能量定理指出，当水流通过消力池时，水的总能量要等于冲击物体的总能量，深度计算要考虑到能量的平衡。

根据动量定理和能量定理，可以使用一些常见的计算方法来计算消力池的深度。

其中，最常用的方法是根据潜流涌浪理论进行计算。

这种方法基于流体力学的基本原理，通过考虑水流的流量、速度、密度等因素，计算出消力池的合理深度。

在进行深度计算时，需要考虑到水流的入口速度、出口速度以及消力池中的水位变化等因素。

根据流体力学的原理，可以计算出每个位置上的水流动能和动量，从而得到相应的深度。

此外，还需要考虑到消力池底部的摩擦力和阻力等因素，以确保消力池的正常运行。

在实际的工程应用中，深度计算还要考虑到其他因素的影响，比如水流的波动、涌浪效应等。

这些因素可能导致水流速度的变化和非均匀性，进而影响消力池的深度计算。

因此，在进行深度计算时，需要综合考虑各种因素，采用合适的计算方法，并在实际工程实践中进行验证。

综上所述，水闸消力池的深度计算是水利工程中的一项重要内容。

合理的深度计算可以确保消力池的正常运行和安全性。

深度计算的理论基础主要涉及动量定理和能量定理，在实际计算中需要考虑到水流的各种因素。

消能池的水力计算[日期：12/31/2005来源：作者：[字体：大中小] 02:48:00]从以上分析可知，为了改变不利的衔接形式，可采取人工措施，通过增加下游水深，使之形成稍有淹没的淹没水跃，从而达到缩短护坦的长度，在较短距离内消除余能的目的。

这种消能措施称为消能池（或消力池）。

形成消能池的工程措施，根据泄水建筑物下游地基情况，可以有两种基本方式：①挖深式消能池：降低护坦高程形成消能池，使池内水深大于，产生淹没水跃；②坎式消能池：在护坦末端加筑消能坎形成消能池，使坎前水深大于，产生淹没水跃。

当然也可以采用既较低护坦高程又修建消能坎的综合消能池。

如图9－5所示。

下面讨论它们的水力计算方法。

图9－5（一）挖深式消能池的水力计算1、池深的计算如图9-5－1所示，下游河道水深为，在开挖前，与收缩断面水深相对应的上游总水头，开挖后，护坦高程降低值为。

图9－5－1此时与收缩断面水深相对应的上游总水头（9-5）为使池内发生稍有淹没的水跃，消能池末端水深为（9-6）式中水跃的淹没安全系数，为降低护坦高程后收缩断面水深所对应的共轭水深。

由图9-5－1可知（9-7）式中为水流由消能池进入下游河道时，由于过水断面减小而引起的水面跌落，其水流特性与宽顶堰相同。

对消能池出口断面1-1与下游断面2-2列能量方程，有令，将，及代入上式并化简，得（9-8）式中为下游河道水深，为消力池的流速系数，取决于消力池出口处的顶部形式，一般取为0.95。

由式（9-5）、式（9-6）、式（9-7）和式（9-8）四个方程联立求解消能池深度。

需要注意的是，收缩断面的共轭水深是随消力池深度的变化而变化的。

因此，与之间是一复杂的隐函数关系。

故求解消力池深度时，一般需用试算法。

对于中小型工程，池深的估算公式是（9-9）式中是以原河床为基准面按总水头求得的的共轭水深，为下游水深。

2、池长的确定在消能池范围内，底部流速高，紊动强烈，冲刷力强，池底和边墙都要用混凝土或浆砌石保护。

水闸设计中若干问题探讨摘要：水利工程在城镇防洪除涝、兴利除害中发挥着不可替代的作用，水闸作为常见的水工建筑物，在水利工程设计、河道整治等项目中应用广泛。

由于水闸功能和地基土的特殊性，设计中经常会遇到若干实际问题。

本文结合工程经验，对水闸设计中的布置型式、水力设计、地基处理、防渗设计、上下游岸坡衔接及生态景观内容及常见问题进行归纳总结，旨在对类似水闸工程设计起到参考借鉴作用。

关键词：水闸设计；地基加固；防渗处理前言在水利工程中，水闸是修建在河道或渠道上利用闸门控制流量、调节水位的低水头水工建筑物，提升闸门可以泄洪、排沙，关闭闸门可以拦洪、蓄水或抬高上游水位，满足灌溉、发电、生态、工业及生活用水等需求。

实际工程中，由于水闸功能和地基土的特殊性，设计中经常会遇到一些问题，应因地制宜，及时解决问题，使水闸功能得以充分发挥，保障工程的安全性和经济性。

１布置型式工程中水闸布置型式取决于水闸的功能和类型。

对于蓄滞洪区承担分洪任务的分洪闸，水闸进口宜布置在利于分洪的河流弯道凹岸侧顶点，且稍偏下游处，充分利用弯道环流原理，减少闸前泥沙淤积，确保水闸分洪能力。

分洪闸闸室轴线与原河道中心线不宜超过30°，闸室一般采用开敞式，闸底板高程宜与河道滩地地面接近，比主河道平均高程或拦河闸（坝）底板高程稍高一些，这样可以有效防止河道泥沙或杂物进入分洪渠道，保证行洪畅通。

冲沙闸一般修建在紧靠进水闸一侧的河道上，且与拦河闸（坝）并排横跨河道布置，其轴线与进水闸的轴线成正交或斜交，斜夹角不大。

为防止闸前泥沙淤积，冲沙闸底板高程要比拦河闸（坝）底板高程低一些。

对兼有泄洪任务的冲沙闸，闸室一般采用开敞式。

如果闸室上游水位变幅较大，高水位需用闸门控制下泄流量时，也可采用胸墙式。

２水力设计水闸水力设计中，在下泄流量一定的情况下，过闸上、下游水位差主要决定了工程规模和工程造价。

若上、下游水位差较小，闸室过流宽度较宽，工程规模相应增大，工程造价也随之上升；反之，上、下游水位差较大，过流宽度较小，工程规模减小，工程造价随之下降。

水工建筑物的消能设计问题分析摘要：水工建筑物消能设计在水利工程建设中尤为重要，确定着水工建筑是否安全稳定，甚至全部水利水电工程能否安全运行。

本文以一渠道引水工程为例子，对于水工建筑消能设计问题进行了进一步的探究。

关键词：渠道；水工建筑物；消能沿空掘；设计方案引言：闸门是挡水，排水建筑物的一类，在水利建设中已得到了广泛运用。

由于闸门下泄流水机械能大，对中下游渠床有非常大冲洗毁坏，因而规定闸门中下游消能防冲应变成设计方案时的核心。

底流水跃消能防冲对策是闸门中下游消能方法之一，在长期使用和实践过程中已展现出实际效果。

已知底流水跃消能和防冲对策多选用水跃做到“消能”效果。

进行消能防冲设计方案，以保证中下游产生相应淹没水平水跃为主导。

1项目可行性某引水工程的主体，属大中型水利工程，属Ⅱ级房屋建筑。

可是，因为灌溉工程经七一大渠可由叶尔羌河引水渠并操纵一部分供水量，而渠道也是低水口引水渠核心区且在事故时不易造成很大危害与损失，可将工程规模下降1级，依照Ⅲ级工程建筑开展设计，设计方案水灾标准取为50a一遇，检算水灾标准取为500a一遇。

该地区抗震设防烈度7级。

它地基承载能力超过30t/m2。

河道砂砾石的密度为2.12吨/立方、比例为2.17吨/立方。

河道砂砾石的内摩擦角，水上为38度，水中为30度排水闸灌溉工程内第1泄水闸距约4000米，引水渠口标高1475.5米。

2消能工况的制定工况不同形式闸门开展消能设计方案时需要标准不尽相同。

这就规定消能设计中需要综合分析上，中下游水位线，过闸总流量和水利闸门开闭组合程序流程，并对其对应条件做出精确分析，以确保采用的消能设计符合工程实际要求。

它的设计过程又不能只依据表面的状况来确定，要考虑到各方面的条件。

在进行水闸设计时，往往会出现消能设计的条件非常苛刻的情况。

许多设计者通过对闸下消力池进行水力计算，发现消力池的测算水位异常，并不是水位太大便是难以做到理想消能率。

发生以上现象的原因是：（1）中下游潮位过低，无法联系实际状况对中下游河面曲线开展科学研究与分析；（2）中下游水灾总流量与中下游潮位发生变化时可能造成相应影响，进而使过闸流水水位线，总流量与流动速度产生相对应更改，设计人员在计算中很难针对不同情况展开分析，仅将研究工作集中在上下游水位上；（3）未按实际要求布置一些辅助消能建筑物（如消力墩），从而加速水跃发生。

专题10. 挖深式消力池水力计算当泄水建筑物下游发生远离式水跃时，可以采用工程措施使下游局部水深增加，从而形成淹没式水跃。

【工程任务】如图所示为一5孔溢流堰，每孔净宽b=7m ，闸墩厚度d=2m ，上游河道宽度与下游收缩断面处河道宽度相同，即0c B B nb n 1==+-（）d，上下游水位的高程如图中所注，当每孔闸门全开时，通过的泄流量Q=1400m3/s ，试求：判别底流衔接形式，如为远趋式水跃，试设计一挖深式消力池。

【分析与计算】1.判断是否需要修建消力池 上游水面收缩断面处河底总能量为[]220021022()v Q E p H p H gg p H B α=++=+++ （式10-1）将11551055()p p m ==-= 162.41557.4()H m =-=31400(/)Q m s =0(1)57(51)232()B nb n d m =+-=⨯+-⨯=代入上式可得：[]2021400557.462.41()29.8(557.4)43E m =++=⨯⨯+⨯收缩断面处的河道宽度043()c B B m ==，则收缩断面处的单宽流量3/1400/4332.56(/())c c q Q B m s m ===g坝面流速系数10.015/10.01555/7.40.885p H ϕ=-=-⨯= 收缩断面水深的计算公式为20222c c cq E h g h ϕ=+ （式10-2） 即222232.5669.662.4129.80.885c cc c h h h h =+=+⨯⨯ 经试算得 1.065()c h m =c h 的共轭水深为：1.065''1)1)13.73()22c c h h m ==⨯=下游水深11010010()t h m =-=。

因为13.73()t h m <，所以产生远离式水跃，故需要修建消力池。

2.设计挖深式消力池池长挖深式消力池主要通过降低护坦高程来实现，其设计内容包括消力池的池深d 和池长Lj 的计算。

一、填空题1、上游连接段用以引导__过闸__水流平顺地进入闸室,保护__两岸和闸基__免遭冲刷，并与__防渗刺墙__等共同构成防渗地下轮廓，确保在渗透水流作用下两岸和闸基的抗渗稳定性.2、水闸消能防冲的主要措施有消力池、__海漫__、防冲槽等。

6、隧洞进口建筑物的按其布置及结构形式分为__竖井式_、___塔式___、__岸塔式__、___斜坡式__。

其中__塔式__受风浪、冰、地震的影响大，稳定性相对较差，需要较长的工作桥。

7、正槽式溢洪道一般由_ 进水渠_ 、_控制段_、__泄槽__、消能防冲措施_ 、__出水渠__五部分组成。

其中___控制段___控制溢洪道的过水能力。

8、泄水槽纵剖面布置，坡度变化不宜太多，当坡度由陡变缓时,应在变坡处用__反弧段__连接,坡度由缓变陡时，应在变坡处用__竖向射流抛物线__连接。

9、水工隧洞按水流状态可分为__有压隧洞_、__无压隧洞__两种形式，___________更能适应地质条件较差的情况,但其_________复杂，所以应避免平面转弯。

10、回填灌浆是填充__衬砌__与__围岩_之间的空隙，使之结合紧密，共同受力,以改善__传力__条件和减少__渗漏__.1、河岸溢洪道的类型主要有正槽式式、侧槽式、井式和虹吸式四种.3、海漫应具有一定的粗糙性，利于进一步消除余能；具有一定的透水性，以便排出渗水；具有一定的柔性，适应河床的变形.4、坝下涵管为了有效地防止集中渗流,在涵管1～2m的范围内用回填粘土做防渗层,这个防渗层称为涵衣。

5、土石坝管涌渗透变形中使个别小颗粒土在孔隙内开始移动的水力坡降称为临界坡降；使更大的土粒开始移动，产生渗流通道和较大范围内破坏的水力坡降称为破坏坡降。

6、在土石坝的坝坡稳定计算中，可用替代法考虑渗透动水压力的影响，在计算下游水位以上、浸润线与滑弧间的土体的滑动力矩时用饱和重度，计算抗滑力矩时用浮重度。

7、不平衡剪力在闸墩和底板进行分配时可采用弹性地基梁法和反力直线法.8、水闸按照其所承担的任务分为节制闸、进水闸、分洪闸、排水闸和挡潮闸.9、过闸水流形态复杂,易发生的不利流态有波状水跃和折冲水流。

消能池的水力计算[日期：12/31/2005来源：作者：[字体：大中小] 02:48:00]从以上分析可知，为了改变不利的衔接形式，可采取人工措施，通过增加下游水深，使之形成稍有淹没的淹没水跃，从而达到缩短护坦的长度，在较短距离内消除余能的目的。

这种消能措施称为消能池（或消力池）。

形成消能池的工程措施，根据泄水建筑物下游地基情况，可以有两种基本方式：①挖深式消能池：降低护坦高程形成消能池，使池内水深大于，产生淹没水跃；②坎式消能池：在护坦末端加筑消能坎形成消能池，使坎前水深大于，产生淹没水跃。

当然也可以采用既较低护坦高程又修建消能坎的综合消能池。

如图9－5所示。

下面讨论它们的水力计算方法。

图9－5（一）挖深式消能池的水力计算1、池深的计算如图9-5－1所示，下游河道水深为，在开挖前，与收缩断面水深相对应的上游总水头，开挖后，护坦高程降低值为。

图9－5－1此时与收缩断面水深相对应的上游总水头（9-5）为使池内发生稍有淹没的水跃，消能池末端水深为（9-6）式中水跃的淹没安全系数，为降低护坦高程后收缩断面水深所对应的共轭水深。

由图9-5－1可知（9-7）式中为水流由消能池进入下游河道时，由于过水断面减小而引起的水面跌落，其水流特性与宽顶堰相同。

对消能池出口断面1-1与下游断面2-2列能量方程，有令，将，及代入上式并化简，得（9-8）式中为下游河道水深，为消力池的流速系数，取决于消力池出口处的顶部形式，一般取为0.95。

由式（9-5）、式（9-6）、式（9-7）和式（9-8）四个方程联立求解消能池深度。

需要注意的是，收缩断面的共轭水深是随消力池深度的变化而变化的。

因此，与之间是一复杂的隐函数关系。

故求解消力池深度时，一般需用试算法。

对于中小型工程，池深的估算公式是（9-9）式中是以原河床为基准面按总水头求得的的共轭水深，为下游水深。

2、池长的确定在消能池范围内，底部流速高，紊动强烈，冲刷力强，池底和边墙都要用混凝土或浆砌石保护。

挖深式消力池计算流程图1. 假设某一池深d ，计算从池底顶面算起的池前总水头ToTo ＝Z2－Z3＋d ＋v o 2/（2×g ）计算示意图 12. 计算池内收缩水深hcTo ＝hc ＋22)(2ϕα××hc g q 或hc 3-To ×hc 2＋222ϕαg q × ＝ 0其中：q ――为收缩断面处的单宽流量，q ＝Q/b 1；Q ――通过消力池的总流量；α――水流动能校正系数，可采用1.0～1.05；ϕ――消力池的流速系数，一般可取0.95，或初步计算参考《水力计算手册》P201或《水力学》下册P8确定。

3. 计算池内跃后水深hc ″hc ″＝25.021321812−+b b ghc qhc α 其中：b 1――消力池首端宽度；b 2――消力池末端宽度。

4. 计算出池落差Δz :Δz ＝22)'(2hs g q ××ϕα－22)"(2hc g q ×α 其中：hs ′――出池河床水深（下游水深）。

5. 计算水跃淹没系数σσ＝（d ＋ hs ′＋Δz ）/hc ″当1.05≤σ≤1.10时假设正确，否则重新假设池深d 进行计算。

※ 本程序中各值采用国际单位制，不再说明。

参考文献：1.《水闸设计规范》（SL265－2001）2.《水力计算手册》第一版·武汉水利电力学院水力学教研室编·水利电力出版社3.《水力学》（上、下册）第二版·成都科技大学水力学教研室编·高等教育出版社4.《取水输水建筑物丛书· 水闸》第一版·陈德亮主编·中国水利水电出版社程序流程图如下：本文档及程序由龚艳光编制，由于本人水平有限，错误在所难免，欢迎大家试用，提出宝贵意见。

E-mail : **********************.cn坎式消力池计算流程图一、池内计算：1. 从池底顶面算起的池前总水头ToTo ＝Z2－Z3＋v o 2/（2×g ）计算示意图22. 计算池内收缩水深hcTo ＝hc ＋22)(2ϕα××hc g q ………………① 或hc 3-To ×hc 2＋222ϕαg q × ＝ 0其中：q ――为收缩断面处的单宽流量，q ＝Q/b 1；Q ――通过消力池的总流量；α――水流动能校正系数，可采用1.0～1.05；ϕ――消力池的流速系数，一般可取0.95，或初步计算参考《水力计算手册》P201或《水力学》下册P8确定。

关于消力池计算问题分析研究作者：赵梦来源：《中国科技博览》2015年第09期[摘要]本文首先分析了溢洪道工程消力池计算方法和两岸建筑物防护措施。

水库溢洪道设计计算比较重要的是消力池的掺气水深计算。

本文在此提出了自己的一些观点和看法。

[关键词]消力池；掺气水深；防护措施；中图分类号：TV653.1 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）09-0001-01一、前言消力池是消能工中常见的，其深度的确定是消力池重要的内容，在消力池设计的时候我们要根据下游的水深对消力池的深度进行设计。

二、泄水建筑物的消能形式1、底流式消能当水流从急流向缓流过渡时，产生水跃，产生的表面旋滚和强烈的紊动消除大量的余能，使速度急剧下降，与下游水流能良好的衔接，由于余流在底部，故称之为底流式衔接消能。

2、挑流式消能利用建筑物末端的跃坎，利用高进下泄水流的动能，将水流挑射到远离建筑物的下游河床中，与下游水流衔接。

消能分为3个部分，坝面摩擦—空中扩散—水垫。

3、面流式消能利用建筑物末端的挡坎，将上游高速水流送入下游河道的水流表层，坎后形成尺度很大的底部漩滚，将主流与河床隔开。

4、消力池消能为了改善底流式消能的水流衔接形式，可采取人工措施，通过增加下游水深，使之形成稍有淹没的淹没水跃，从而达到缩短护坦的长度，在较短距离内消除余能的目的。

这种消能措施称为消力池（或消能池）。

人工形成消力池的工程措施，根据泄水建筑物下游地基情况，可以有以下3种基本方式：挖深式消力池：降低护坦高程形成消力池，使池内水深大于h″c，产生淹没水跃；坎式消力池：在护坦末端加筑消能坎形成消力池，使坎前水深大于h″c，产生淹没水跃；综合消力池：采用既较低护坦高程又修建消能坎的综合消力池，使池内水深大于h″c，产生淹没水跃。

三、挖深式消力池的设计主要是确定池深和池长目前对池深的计算有传统计算方法和简化计算方法，其中传统计算方法成熟、可靠，但试算过程繁冗、工作量大；简化计算方法也称为图表解法，其根据某种函数关系事先制成图表供计算时查用，图表解法也有一个试算过程，只不过将试算变成了查表。

设计文本—挖深式消力池水力计算(共11页)-本页仅作为预览文档封面，使用时请删除本页-专题10. 挖深式消力池水力计算当泄水建筑物下游发生远离式水跃时，可以采用工程措施使下游局部水深增加，从而形成淹没式水跃。

【工程任务】如图所示为一5孔溢流堰，每孔净宽b=7m ，闸墩厚度d=2m ，上游河道宽度与下游收缩断面处河道宽度相同，即0c B B nb n 1==+-（）d ，上下游水位的高程如图中所注，当每孔闸门全开时，通过的泄流量Q=1400m3/s ，试求：判别底流衔接形式，如为远趋式水跃，试设计一挖深式消力池。

【分析与计算】1.判断是否需要修建消力池 上游水面收缩断面处河底总能量为[]220021022()v Q E p H p H gg p H B α=++=+++ （式10-1）将11551055()p p m ==-= 162.41557.4()H m =-=31400(/)Q m s =0(1)57(51)232()B nb n d m =+-=⨯+-⨯= 代入上式可得：[]2021400557.462.41()29.8(557.4)43E m =++=⨯⨯+⨯收缩断面处的河道宽度043()c B B m ==，则收缩断面处的单宽流量3/1400/4332.56(/())c c q Q B m s m ===坝面流速系数10.015/10.01555/7.40.885p H ϕ=-=-⨯= 收缩断面水深的计算公式为20222c c cq E h g h ϕ=+ （式10-2） 即222232.5669.662.4129.80.885c cc c h h h h =+=+⨯⨯ 经试算得 1.065()c h m =c h 的共轭水深为：1.065''1)1)13.73()22c c h h m ==⨯=下游水深11010010()t h m =-=。

因为13.73()t h m <，所以产生远离式水跃，故需要修建消力池。