攔河閘下游一級(jí)消力池尾坎高度計(jì)算方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了攔河閘下游一級(jí)消力池尾坎高度計(jì)算方法，根據(jù)一級(jí)消力池水平段池底高程、攔河閘泄流單寬流量、池底總水頭、流速系數(shù)等，計(jì)算出一級(jí)消力池的進(jìn)口收縮斷面水深、躍后水深和水躍長(zhǎng)度；根據(jù)池末的尾坎高度初值、尾坎體型和尾坎下游陡坡段的坡度，計(jì)算出尾坎頂?shù)乃钪担徊⒅貜?fù)計(jì)算得到優(yōu)化的尾坎高度和水平段池長(zhǎng)值；最后對(duì)尾坎高度值進(jìn)行合理性驗(yàn)證。本發(fā)明根據(jù)尾坎高度初值和尾坎頂水深值的重復(fù)計(jì)算，得到優(yōu)化布置的尾坎高度和水平段池長(zhǎng)值，提升了現(xiàn)有攔河閘下游消能防沖的水力計(jì)算的精確性；并通過(guò)對(duì)尾坎高度值進(jìn)行合理性驗(yàn)證，保證工程應(yīng)用的安全性。本發(fā)明作為攔河閘下游一級(jí)消力池尾坎高度計(jì)算方法，可廣泛應(yīng)用于水利工程領(lǐng)域。
【專(zhuān)利說(shuō)明】攔河閘下游一級(jí)消力池尾坎高度計(jì)算方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及水利工程領(lǐng)域，尤其是攔河閘下游一級(jí)消力池尾坎高度計(jì)算方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 底流消能是低水頭攔河閘泄流消能最為常用的一種方法。通?？筛鶕?jù)攔河閘泄流 落差、閘址地形和地質(zhì)條件、兩岸翼墻和堤圍的安全、工程施工和投資等，選擇修建一級(jí)或 兩級(jí)消力池。目前，由于眾多的攔河閘下游河道河床下切、水位降低，造成攔河閘下游消能 工出險(xiǎn)，需進(jìn)行除險(xiǎn)改造，攔河閘下游消能工除險(xiǎn)改造在以下兩種情況下，可以?xún)?yōu)先考慮采 用兩級(jí)消力池布置：1)現(xiàn)狀消力池仍可加以利用；2)若現(xiàn)狀消力池?zé)o法使用，但閘下游采 用一級(jí)消力池布置會(huì)使消力池兩岸端翼墻過(guò)高、影響兩岸堤圍的穩(wěn)定和安全，或工程投資 過(guò)大、施工困難等。因此，以上的兩種情況可在現(xiàn)狀消力池加固改造或重建的基礎(chǔ)上，在其 下游增設(shè)二級(jí)消力池，采用分級(jí)消能以確保工程的安全運(yùn)行。
[0003] 由于攔河閘下游采用兩級(jí)消力池運(yùn)行的水流條件較復(fù)雜，其體型布置和水力計(jì)算 方法也相對(duì)較復(fù)雜，相關(guān)的研究成果所見(jiàn)不多。通常，設(shè)置兩級(jí)消力池的攔河閘下游一級(jí)消 力池在中小洪水流量（甚至大洪水流量）運(yùn)行時(shí)，下游河道水位往往較低，一級(jí)消力池尾坎 出流多呈自由出流狀況。因此，在攔河閘各級(jí)洪水流量泄流條件下，一級(jí)消力池內(nèi)應(yīng)形成穩(wěn) 定的水躍，不應(yīng)出現(xiàn)折沖水流、遠(yuǎn)驅(qū)式水躍等不良流態(tài)，池末端尾坎出流應(yīng)較平穩(wěn)沿下游陡 坡段進(jìn)入二級(jí)消力池。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明的目的是：攔河閘下游一級(jí)消力池尾坎高度計(jì)算 方法。
[0005] 本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：攔河閘下游一級(jí)消力池尾坎高度計(jì)算方法，包括有 以下步驟：
[0006] A、根據(jù)一級(jí)消力池水平段池底高程、攔河閘泄流單寬流量、池底總水頭、流速系 數(shù)，計(jì)算出一級(jí)消力池的進(jìn)口收縮斷面水深、躍后水深和水躍長(zhǎng)度；
[0007] B、根據(jù)尾坎高度初值、尾坎體型和尾坎下游陡坡段的坡度」±算尾坎頂水深值；
[0008] C、根據(jù)尾坎高度初值和尾坎頂水深值的重復(fù)計(jì)算，得到優(yōu)化的尾坎高度和水平段 池長(zhǎng)值；
[0009] D、對(duì)上述計(jì)算得到的尾坎高度值進(jìn)行合理性驗(yàn)證。
[0010] 進(jìn)一步，所述步驟B具體為：根據(jù)尾坎高度初值、尾坎體型和尾坎下游陡坡段的坡 度，得出尾坎泄流的流量系數(shù)，進(jìn)而計(jì)算尾坎頂?shù)乃钪怠?br> [0011] 進(jìn)一步，所述步驟C中重復(fù)計(jì)算的次數(shù)根據(jù)攔河閘上游為正常蓄水位相應(yīng)的閘門(mén) 控泄的最大閘門(mén)開(kāi)度運(yùn)行的水文組次或設(shè)計(jì)洪水頻率流量和校核洪水頻率流量泄流運(yùn)行 的水文組次得出。
[0012] 進(jìn)一步，所述步驟C包括有以下子步驟：
[0013] Cl、根據(jù)尾坎高度初值與尾坎頂水深值之和與躍后水深的比例確定水平段池長(zhǎng)；
[0014] C2、重復(fù)上述步驟，計(jì)算出優(yōu)化的尾坎高度和水平段池長(zhǎng)值。
[0015] 進(jìn)一步，所述步驟C1中確定水平段池長(zhǎng)的具體過(guò)程為：
[0016] 當(dāng)比例的取值范圍屬于1. 1?1. 2時(shí)，水平段池長(zhǎng)為水躍長(zhǎng)度與系數(shù)k的乘積，k 的取值范圍為0.95?1 ;
[0017] 當(dāng)比例的取值范圍屬于1. 2?1. 3時(shí)，水平段池長(zhǎng)為水躍長(zhǎng)度與系數(shù)k'的乘積， k'的取值范圍為0.85?0.95。
[0018] 進(jìn)一步，所述步驟D的合理性驗(yàn)證的具體過(guò)程為：
[0019] 若尾坎頂高程值低于攔河閘閘室堰頂高程，則尾坎高度值是合理的；
[0020] 若尾坎頂高程值不低于攔河閘閘室堰頂高程，則在設(shè)計(jì)洪水頻率和校核洪水頻率 流量運(yùn)行條件下，計(jì)算攔河閘泄流能力是否能夠滿(mǎn)足工程設(shè)計(jì)的要求。
[0021] 本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明根據(jù)尾坎高度初值和尾坎頂水深值的重復(fù)計(jì)算，得 到優(yōu)化的尾坎高度和水平段池長(zhǎng)值，提升了現(xiàn)有攔河閘下游消能防沖的水力計(jì)算的精確 性；并通過(guò)對(duì)上述計(jì)算得到的尾坎高度值進(jìn)行合理性驗(yàn)證，即在設(shè)計(jì)洪水和校核洪水等洪 水頻率流量運(yùn)行條件下，計(jì)算復(fù)核攔河閘泄流能力是否能夠滿(mǎn)足工程設(shè)計(jì)的要求，保證工 程應(yīng)用的安全性。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0022] 圖1為攔河閘下游消力池體型和水力參數(shù)示意；
[0023] 圖2為攔河閘下游水躍的水力參數(shù)示意；
[0024] 圖3為一級(jí)消力池體型和水力參數(shù)示意圖；
[0025] 圖4為本發(fā)明的方法步驟流程圖。

【具體實(shí)施方式】
[0026] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步說(shuō)明：
[0027] 參照?qǐng)D1、圖2和圖3,說(shuō)明攔河閘下游消力池體型和水力各參數(shù)：
[0028] 根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL265-2001)等，通常采用下列公式計(jì)算攔河閘下游消力池 的水力參數(shù)和體型參數(shù)：
[0029] 進(jìn)口收縮斷面水深h & φ^(Ε{)---{)
[0030] 躍后水深 h2 /?2 = "^(*/丨 + - i)
[0031] 池長(zhǎng) LsJ LsJ = Ls+ β Lj
[0032] Lj = 6.9 (h^hi)
[0033] 池深 S S = 〇 h2-t- Δ Z r ? A7 rf i i 1
[0034] ΔΖ =」H --7- fhJ
[0035] 式中，q為攔河閘泄流單寬流量；E。為以消力池底板為基準(zhǔn)計(jì)算的總水頭；Φ為流 速系數(shù)；g為重力加速度；Frl為消力池進(jìn)口佛勞德數(shù)（斤,=，v為進(jìn)口斷面平均流 速）；1^_為消力池長(zhǎng)度；LS為消力池斜坡段水平投影長(zhǎng)度；h為水躍長(zhǎng)度；β為水躍長(zhǎng)度校 正系數(shù)，可取0.7?0.8; 〇為水躍淹沒(méi)度，可取〇 = 1.05?1.1 ;t為消力池下游水深； Λ Z為消力池末端出口水面落差；ω為消力池出口段流速系數(shù)，可取ω =0.95。
[0036] 按照上述公式，在工程設(shè)計(jì)中，在已知攔河閘泄流單寬流量q、總水頭^、消力池下 游水深t(或閘下游水位Zt)等水力參數(shù)條件下，可計(jì)算出攔河閘下游消力池的水躍參數(shù) (如消力池進(jìn)口收縮斷面水深h、躍后水深h2、水躍長(zhǎng)度h等）、池長(zhǎng)和池深S等。
[0037] 為了使攔河閘下游一級(jí)消力池內(nèi)能夠形成穩(wěn)定的水躍，應(yīng)滿(mǎn)足消力池尾坎前緣水 深（T+h) > h2 (h2為躍后水深）、水平段池長(zhǎng)L > β h ( β為系數(shù)，h為水躍長(zhǎng)度）的要求， 本發(fā)明具體實(shí)施方法如下：
[0038] A、根據(jù)一級(jí)消力池水平段池底高程、攔河閘泄流單寬流量q、池底總水頭E。、流速 系數(shù)Φ，計(jì)算出消力池的進(jìn)口收縮斷面水深4、躍后水深h2和水躍長(zhǎng)度Lj ;
[0039] 一級(jí)消力池水平段池底高程可根據(jù)工程的布置、地質(zhì)和地形、施工條件和工程投 資等確定。
[0040] B、根據(jù)尾坎高度初值?；、尾坎體型和尾坎下游陡坡段的坡度，計(jì)算尾坎頂水深值；
[0041] 根據(jù)初選的?；值、尾坎體型、尾坎下游陡坡段的坡度（即一、二級(jí)消力池之間陡坡 段的坡度）等，查閱有關(guān)水力計(jì)算手冊(cè)（如《水力計(jì)算手冊(cè)》等），查出尾坎泄流的流量系數(shù) m，計(jì)算出一級(jí)消力池尾坎頂?shù)乃钪礹(計(jì)算式為Λ =(&/?#廣％ qQ為一級(jí)消力池尾坎 單寬流量）。
[0042] C、根據(jù)尾坎高度初值和尾坎頂水深值的重復(fù)計(jì)算，得到尾坎高度和水平段池長(zhǎng) 值；
[0043] 根據(jù)初選的尾坎高度?；和計(jì)算的尾坎頂水頭h等，由的比值，確定消 力池水平段池長(zhǎng)L，具體方法為：①為了使一級(jí)消力池內(nèi)形成穩(wěn)定的水躍，若（I^+hVh = 1. 1 ?1. 2,可取 L/Lj = 1 ?0· 95 ;②若（T0+h)/h2 = 1. 2 ?1. 3,則可取 L/Lj = 0· 95 ? 0. 85〇
[0044] 因此，通過(guò)反復(fù)的調(diào)整和計(jì)算消力池末端尾坎的高度T值，直至得出一級(jí)消力池 合理的尾坎高度T (即池深）和水平段池長(zhǎng)L。
[0045] 所述步驟C中重復(fù)計(jì)算的次數(shù)選擇攔河閘運(yùn)行的有代表性的水文組次，即根據(jù)攔 河閘上游為正常蓄水位相應(yīng)的閘門(mén)控泄的最大閘門(mén)開(kāi)度運(yùn)行的水文組次或設(shè)計(jì)洪水頻率 流量和校核洪水頻率流量泄流運(yùn)行的水文組次得出。
[0046] D、對(duì)上述計(jì)算得到的尾坎高度值進(jìn)行合理性驗(yàn)證。
[0047] 若尾坎頂高程值低于攔河閘閘室堰頂高程，則一級(jí)消力池池末的尾坎設(shè)置對(duì)攔河 閘的泄流能力無(wú)影響，因此一級(jí)消力池池末尾坎的高度設(shè)置是合理的。
[0048] 若尾坎頂高程值不低于攔河閘閘室堰頂高程，則在設(shè)計(jì)洪水頻率和校核洪水頻率 流量運(yùn)行條件下，計(jì)算攔河閘泄流能力是否能夠滿(mǎn)足工程設(shè)計(jì)的要求。具體的計(jì)算方法 為：
[0049] 在新建的攔河閘工程中，若受閘址地形和地質(zhì)條件、兩岸翼墻和堤圍的安全、工程 施工和投資等影響，一級(jí)消力池底板基礎(chǔ)不宜開(kāi)挖的太深；或者在現(xiàn)狀的攔河閘下游消力 池除險(xiǎn)改造中，若其一級(jí)消力池底板仍可以利用等，為了滿(mǎn)足一級(jí)消力池消能和池深布置 的要求，可將其池末尾坎頂適當(dāng)加高，甚至將尾坎頂加高至略高于攔河閘閘室堰頂高程。一 級(jí)消力池末端尾坎頂加高之后，應(yīng)在設(shè)計(jì)洪水和校核洪水等洪水頻率流量運(yùn)行條件下，計(jì) 算復(fù)核攔河閘泄流能力是否能夠滿(mǎn)足工程設(shè)計(jì)的要求，計(jì)算復(fù)核可在相應(yīng)洪水流量的攔河 閘下游水位條件下，一級(jí)消力池尾坎頂過(guò)水面積應(yīng)大于攔河閘閘孔總凈過(guò)水面積。
[0050] 以上是對(duì)本發(fā)明的較佳實(shí)施進(jìn)行了具體說(shuō)明，但本發(fā)明創(chuàng)造并不限于所述實(shí)施 例，熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員在不違背本發(fā)明精神的前提下還可以作出種種的等同變換或替 換，這些等同的變形或替換均包含在本申請(qǐng)權(quán)利要求所限定的范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1. 攔河閘下游一級(jí)消力池尾坎高度計(jì)算方法，其特征在于：包括有以下步驟： A、 根據(jù)一級(jí)消力池水平段池底高程、攔河閘泄流單寬流量、池底總水頭、流速系數(shù)，計(jì) 算出一級(jí)消力池的進(jìn)口收縮斷面水深、躍后水深和水躍長(zhǎng)度； B、 根據(jù)尾坎高度初值、尾坎的體型和尾坎下游陡坡段的坡度計(jì)算尾坎頂水深值； C、 根據(jù)尾坎高度初值和尾坎頂水深值的重復(fù)計(jì)算，得到優(yōu)化的尾坎高度和水平段池長(zhǎng) 值； D、 對(duì)上述計(jì)算得到的尾坎高度值進(jìn)行合理性驗(yàn)證。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的攔河閘下游一級(jí)消力池尾坎高度計(jì)算方法，其特征在于：所 述步驟B具體為：根據(jù)尾坎高度初值、尾坎體型和尾坎下游陡坡段的坡度，得出尾坎泄流的 流量系數(shù)，進(jìn)而計(jì)算尾坎頂水深值。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的攔河閘下游一級(jí)消力池尾坎高度計(jì)算方法，其特征在于：所 述步驟C中重復(fù)計(jì)算的次數(shù)根據(jù)攔河閘上游為正常蓄水位相應(yīng)的閘門(mén)控泄的最大閘門(mén)開(kāi) 度運(yùn)行的水文組次或設(shè)計(jì)洪水頻率流量和校核洪水頻率流量泄流運(yùn)行的水文組次得出。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的攔河閘下游一級(jí)消力池尾坎高度計(jì)算方法，其特征在于：所 述步驟C包括有以下子步驟： C1、根據(jù)尾坎高度初值與尾坎頂水深值之和與躍后水深的比例確定水平段池長(zhǎng)； C2、重復(fù)上述步驟，計(jì)算出優(yōu)化的尾坎高度和水平段池長(zhǎng)值。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的攔河閘下游一級(jí)消力池尾坎高度計(jì)算方法，其特征在于：所 述步驟C1中確定水平段池長(zhǎng)的具體過(guò)程為： 當(dāng)比例的取值范圍屬于1. 1?1. 2時(shí)，水平段池長(zhǎng)為水躍長(zhǎng)度與系數(shù)k的乘積，k的取 值范圍為0.95?1 ; 當(dāng)比例的取值范圍屬于1. 2?1. 3時(shí)，水平段池長(zhǎng)為水躍長(zhǎng)度與系數(shù)k'的乘積，k'的 取值范圍為0.85?0.95。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的攔河閘下游一級(jí)消力池尾坎高度計(jì)算方法，其特征在于：所 述步驟D的合理性驗(yàn)證的具體過(guò)程為： 若尾坎頂高程值低于攔河閘閘室堰頂高程，則尾坎高度值是合理的； 若尾坎頂高程值不低于攔河閘閘室堰頂高程，則在設(shè)計(jì)洪水頻率和校核洪水頻率流量 運(yùn)行條件下，計(jì)算攔河閘泄流能力是否能夠滿(mǎn)足工程設(shè)計(jì)的要求。
【文檔編號(hào)】E02B8/06GK104120690SQ201410323369
【公開(kāi)日】2014年10月29日 申請(qǐng)日期:2014年7月8日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月8日
【發(fā)明者】黃智敏, 陳卓英, 羅岸, 朱紅華, 付波, 黃健東, 鐘勇明 申請(qǐng)人:廣東省水利水電科學(xué)研究院