北海河海水利水电设计院 广西北海 536000
摘要：消力池是跌水、水闸等水工建筑物的重要组成部分，对于跌水、水闸等水工建筑物的安全运行具有重要意义。所以，科学且经济合理的设计消力池便十分重要。在实际设计中，消力池的设计尺寸是由上下游水深、过闸流量等因素的影响。本文以水闸消力池为例对消力池尺寸设计的关键影响因素进行简要分析论述。
关键词：消力池；设计；影响因素
引言
修建在渠道上的水闸，在渠道水流经过水闸之前，一般都为缓流，水流经过水闸时，部分势能转为动能，流速增大，而土质河床的抗冲能力低，所以，在水闸闸室下游修建消力池对水闸的稳定有着重要影响。水闸建成后，水闸往往需要在不同的水流下运行，水闸上下游的水位时常发生变化，且闸门的开启高度也会经常发生变化，这就导致出流可能演变成闸孔出流、堰流、自由出流或者淹没出流都会发生，进而导致水跃衔接上出现临界式水跃、淹没式水跃等，对水闸闸室下游河床造成巨大的冲刷，严重影响到水闸的安全稳定运行。因此，必须在最短距离内消除余能，使得高速水流在消力池内迅速消力转变为缓流，保证水闸的安全稳定运行。因此，合理科学设计消力池就变的非常重要。
1、消力池深度计算中的影响因素
根据现行的《水闸设计规范》（SL265-2016）中关于消力池深度的计算，其可按下式进行计算：；式中的表示跃后的水深，m；表示出池河床的水深，m；表示出池落差，m。从式中可以看出，消力池的深度取决于这三项要素。水流通过水闸下泄，然后在下游形成水跃，如果没有设置消力池，那么此时可能会出现临界式水跃、远驱式水跃和淹没式水跃，其中，远驱水跃最为不利，因为在这种情况下，建筑物与跃前断面之间，还存在相当的急流段，在这段内，流速非常高，对河床冲刷很严重，河床必须有可靠的保护结构；对临界水跃衔接，虽然所要求的护坦长度，较远驱式的短，但这种衔接是不稳定的；而淹没式水跃的长度较短，且离建筑较近，这种水跃进行消能处理能取得较好的效果。消力池的设计深度必须保证能加大水闸下游的水深，将水跃控制在距离建筑物一定的距离内，形成淹没程度不大的淹没水跃。上式中，值非常小，可以忽略不计，而与流量的关系则与上游水头、闸孔净宽、消力池首尾端宽度等因素有关，与流量的关系则与下游渠道的数理特性等有关，这就使得与之间并没有固定的相互关系，它们的大小与很多因素有关。但是，当计算中忽略不计值时，从式中可以看出，消力池的深度与（-）值之间成正相关系，当（-）值最大，此时过闸流量最大，下游的水深也最大，而上下游的水位落差却并不是最大的。所以说，在消力池深度计算中，（-）值是一个关键影响因素。
2、消力池长度计算中的影响因素
消力池的长度必须足以保证水跃不跃出池外，所以，消力池的长度可以从水跃的长度出发来考虑。但消力池内的水跃受到消力池末端垂直壁面产生一个反向作用，减小了水跃的长度。所以，消力池内的水跃长度仅为平底渠道中自由水跃长度的70%～80%。
水闸在正常运行过程中出现闸门的开启关闭，这带来流量的变化，从而使得下游河床的水深与跃后的深度总是在不断发生变化。在消力池的长度计算中，/的大小会对其产生重要影响。
当/≤1时，此时水闸下泄后在下游形成自由水跃或临界式水跃或远驱式水跃；当/＞1，会发生淹没水跃，当/＞1.2时，随着淹没程度逐渐加大，淹没水跃的长度也会加大，且远远大于自由水跃的长度。出现这一现象的原因是：在同等流量下，淹没水跃的消能系数比自由水跃的小，淹没程度与消能系数之间成反比例关系，因此随着淹没程度的增大，位于表面漩涡之下的高速主流扩散得也就越慢，从而增大了水跃的长度。
在消力池长度的计算上，其与水跃长度密切相关，但是由于过闸流量、上下游水位差等的不断变化，使得水跃长度也不固定，进而使得消力池的长度在水跃长度的影响下发生变化。换言之，/的大小对消力池长度的设计有重大影响。在实际设计中，很多时候忽略了/对消力池长度的影响，经常直接使用规范中的水跃长度计算公式，但淹没水跃与自由水跃的计算公式是不同的，在同等条件下计算出的水跃长度也就有所不同，而且差值会随着流量的变化而增加。因此，在水闸的消力池尺寸设计中，必须重视/对消力池长度的影响。
《水闸设计规范》（SL265-2016）中的消力池长度和水跃长度计算公式分别：
式中：t为消力池底板始端厚度，m；q为单宽流量，m3/（s.m）；H为闸孔泄水时的上下游水位差，m；k1为消力池底板计算系数，可采用0.15～0.20；为消力池底板抗浮安全系数，可采用1.1～1.3；W为作用在消力池底板顶面的水重，KN；U为作用在消力池底板底面的扬压力，KN；Pm为作用在消力池底板上的脉动压力，KN，其值可取跃前收缩断面处流速水头值的5%，通常计算消力池底板前半部的脉动压力时“+”号，计算消力池底板后半部的脉动压力时取“-”号；A为消力池底板的面积，m2；为消力池混凝土底板容重，KN/m3。消力池底板厚度取上述两个公式中的较大值。由上述公式来看，消力池底板厚的主要从底板的抗冲和抗浮两方面来考虑，二者之间取大值。在考虑底板抗冲时候，消力池底板的厚度主要取决于单宽流量和上下游水位差，它们与消力池底板的厚度成正向关系，所以，在渠道中修建水闸时，根据实际地形及考虑经济合理的情况下，尽可能的把水闸的闸孔宽度做大一点，这样可以有效的减小水闸进口水深和单宽流量，进而可以减小消力池底板厚度。在考虑底板抗浮的时候，消力池底板主要取决于消力池底板基底扬压力和消力池底板面积，消力池底板厚度与底板扬压力成正向关系，与消力池底板面积成反向关系，在消力池底板上设置反滤排水孔，可以有效的降低底板基底扬压力，进而减小消力池底板厚度。综上所述，消力池底板厚度要综合考虑单宽流量、上下游水位差、消力池底板扬压力等因素，使得消力池底板厚度设计的更为经济合理。
结束语
总之，消力池设计需要综合考虑多方面因素，应结合实际情况来考虑影响消力池尺寸设计尺寸的各个因素，使得水闸、跌水等水工建筑物消力池的设计经理、合理，得出最佳设计方案，保证水闸、跌水等水工建筑物运行的安全和稳定。
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论文作者:李雪芳
论文发表刊物:《防护工程》2019年第6期
论文发表时间:2019/6/21
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