宽尾墩—消力池的简化计算方法

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1、宽尾墩—消力池的简化计算方法摘要：本文对含有分流的水跃方程的特性进行了讨论，提出了宽尾墩—消力池等效分流比的概念，利用安康等几个工程的试验资料给出了等效分流比和E0/hk及B/B0的关系，讨论了宽尾墩—消力池优于平尾墩消力池的条件，并用算例表明了用等效分流比估算宽尾墩—消力池的跃后水深或选择宽尾墩的收缩比是非常方便的。关键词：宽尾墩消力池等效分流比　宽尾墩是中国人的创造.虽然第一个宽尾墩用于潘家口水利枢纽的挑流消能[1]，但嗣后得到很快推广的却是宽尾墩—消力池(或消力戽)型的消能，如安康、岩滩、五强溪、隔河岩等工程[2-5]。因此已进行过不少宽尾墩—消力池的水工模型试验，积累

2、了许多有用的试验资料。也有少数把表3中αe<1的10个数据点，依方程(17)，用最小二乘方拟合后得：A1=0.9566,A2=0.1977(18)　　表3中横线下的值即为用式(17)、(18)计算得到的αe值，在10个工况中，计算值与试验值的最大相对差为8.7%，相对差的方差根值为5.3%。最后，通过一个算例说明αe的应用。如图3，已给定E0=100m,q=100m3/m.s、150m3/m.s时，比较平尾墩与宽尾墩条件下的跃后水深。先计算q=100m3/m.s的工况。平尾墩时跃前的收缩水深为hc，它由下式确定E0=hc+图3底流消能示意取流速系数φ=0.96，把E

3、0、q代入上式经试算后得hc≌2.38m，相应的流速vc=q/hc=42.02m/s，Fr1==8.70,hk==10.07m，跃后水深hc"为h3p=hc"==28.12m即在平尾墩情况下，如形成临界水跃，则跃后水深为28.12m。再考虑宽尾墩情形。首先选择收缩比B'/B0。已知E0/hk=9.93，为了使αe≤1，B'/B0必须满足下面的不等式（19）对给定的工况，B'/B0须≤0.394,选择B'/B0=0.25，由式(17)、(18)可得αe=0.862，把数据代入式(13)则可得相应的水跃方程为η3-2(75.69/0.862+1/2)η+2/0.8623×75.6

4、9=0经试算得η=12.56，所以宽尾墩时的跃后水深h3为h3=η·h1=η·hc·αe=12.56×2.38×0.862=25.77m,h3比h3p约小8.5%。　　当单宽流量q从100m3/m·s增至150m3/m·s时，hk=13.19m，E0/hk=7.58,hc=3.60m,Vc=41.67m/s，Fr1==7.02,hc"=h3p=33.95m，若仍取B'/B0=0.25，则αe=0.783,η=10.35,h3=29.17m，(h3p-h3)/h3p≌14.1%。　　假如q仍为150m3/m·s，但要求h3从29.17m降到28.0m，那么B'/B0应取多少?因

5、与q=150m3/m·s相应的h3p=33.95m，要求h3=28.0m，h3/h3p=0.825,Fr1=7.02,由给定的Fr1和比值h3/h3p查表4，内插得αe≌0.740，B'/B0=1/A1(αe-A2(E0/hk)1/α≌0.20。在表1中，查k=1/2得到的h3/h3p值，就是表4中的值。当然，也可以不用表4，直接设几个αe，确定相应的h3，再按要求确定αe值，进而得到要求的B'/B0值表4h3/h3p～αe(ke=1/αe)～Fr1关系αeFr123456789100.90.8430.9090.9240.9310.9350.9380.9390.9400.94

6、10.8/0.7960.8380.8550.8640.8700.8740.8770.8790.7//0.7340.7680.7840.7950.8020.8060.8100.6///0.6580.6900.7080.7190.7280.7340.5//　/0.5620.6000.6210.6350.6453.结论和讨论(1)等效分流的概念不仅可应用于宽尾墩消力池，也可应用于分流戽坎消力池、坝面分流窄缝消力池等消能设施。当然，不同型的这类消能方式须有各自相应的等效分流参数的经验表达式。(2)从算例可见，无论计算已定几何尺寸的宽尾墩消力池的跃后水深，还是按对跃后水深的控制要求确定

7、宽尾墩的收缩比，都是非常方便的。(3)式(17)和(18)实际上也给出了用两个无因次参数E0/hk和B'/B0表示的宽尾墩—消力池的适用范围。(4)关键问题是式(17)和(18)的可靠性，即式(17)是否遗漏了其它起显著作用的参数式(17)、(18)的复盖能力如何?这些问题的答案，只能待之于今后更多的工程试验的检验。但从已有的数据看，对安康型的宽尾墩(宽尾墩靠近堰的顶部)，αe的离散并不严重，10个数据中，最大的相对误差为8.7%，相对误差的方差根值为5.3%。