3.5.3消能防冲设施的设计 （一）消能控制条件分析
设计水位或校核水位时闸门全开，宣泄洪水，为淹没出流，无须消能，闸前为常高水位1295m，部分闸门局部开启，只宣泄较小流量时，下游水位不高，闸下射流速度较大，才会出现严重的冲刷河床现象，须设置相应的消能设施。为了保证无论何种开启高度的情况下均能发生淹没式水跃消能，采用闸前水深洪水频率为3.3%时水深H=8.5m，Q=闸门局部开启情况，作为消能防冲设计的控制情况。
为了降低工程造价，确保水闸安全运行，可以规定闸门的操作规程，本设计按1、3、5、7孔对称方式开启，分别对不同开启孔数和开启度进行组合计算，找出消力池池深和池长的控制条件。
《水闸设计规范》中指出，消力池计算简图及主要计算公式如下：
孔口出流流量公式：
Q=μebn2g(H0-hc)
消力池池深：
d=σ0hc″－hs－Δz
收缩水深：
e （3—8） hc=ε′图3—2 消力池计算简图
（3—6）
（3—7）
跃后水深：
16
hhc″=c2 出池落差：
8αq21+gh3c1 （3—9）
αq2
Δz=2g2h2sαq2 2（3—10） ″2ghc式中：μ——宽顶堰上孔流流量系数，μ=ε＇φ
e——闸门开启高度，m； ε＇——收缩系数；
φ——流速系数，φ=0.9~1.0，取φ=0.985 b——闸孔单宽，m； H0——堰上水头，m； n——开启孔数； d——消力池深度，m；
σ0——水跃淹没系数，可采用1.05~1.10，取1.05； hc〃——跃后水深，m； hc——收缩水深，m； T0——总势能，m； Δz——出池落差，m； hs——出池河床水深，m。
对于消力池池深的计算，应先计算出挖池前收缩水深，按《水利学》公式估算出池深，然后求出总势能，再试算出挖池后的收缩水深。其计算式如下：
消力池长度：
Lsj=Ls+βLj （3—11）
水跃长度：
Lj=6.9（h c＂-hc） （3—12） 式中 Lsj——消力池长度，m；
Ls——消力池斜坡段水平投影长度，m； β——水跃长度校正系数，可采用0.7～0.8； Lj——水跃长度，m。
通过跃后水深与下游水深的比较进行流态判别，经过计算，找出最大的池深，池长作为相应的控制条件。同时考虑到经济及其他原因，对池深较大的开启度采用限开措施。关于流态判别如下：
h c＂ 17 h c＂>hs 为自由出流的远驱式水跃。 根据上面公式估算消力池池深及池长 表3—5消力池估算表 开启孔数 开启度 1 2 3 4 过闸流量 87.5 171.1 267.5 364.7 469.31 收缩水深 0.62 1.24 1.9 2.6 3.3 跃后水深 4.32 5.9 6.9 8.1 9.1 单宽流量 7.95 16 24.3 33.2 42.7 下游水深 1 1.3 1.6 1.8 2 1 5 由上表及查流量与下游水位表可知开启高度相应的淹没泄流量 开启1m Q=860/7=123m3/s 开启2m Q=2000/7=286m3/s 开启3m Q=2800/7=400m3/s 开启4m Q=3600/7=514m3/s 开启5m Q=4600/7=657m3/s 都不能达到淹没取开启7孔时开启高度5m作为控制条件算的 d=2.4m Lj=40.2m Lsj=36m β=0.7 消力池有地板按照小于1:3的坡降过度到下游取Ls=8m （二） 消力池尺寸及构造 (1)．消力池深度的计算 根据以上计算，消力池深取2.4m， (2)．消力池池长 根据池深2.4m，用式（3—11）、式（3—12）求得相应的消力池长度为36m (3)．消力池护坦厚度 消力池底板（即护坦）承受水流的冲击力、水流脉动压力和底部扬压力等作用，应具有足够的重量、强度和抗冲耐磨的能力。护坦一般是等厚的，也可采用不同的厚度，始端厚度大，向下游逐渐减小。 护坦厚度可根据抗冲和抗浮要求，分别计算，并取其最大值。 按抗冲要求计算消力池护坦厚度公式为： t=k1qΔH′ （3—13） 按抗浮要求计算消力池护坦厚度公式为： 18 t=k2 UW±Pm （3—14） γb式中 t——消力池底板始端厚度，m； k1——消力池底板计算系数，可采用0.175~0.20； k2——消力池底板安全系数，可采用1.1～1.3； py——扬压力，kpa； ΔH＇——泄水时上、下游水位差，m； Hd——消力池内平均水深，m； γ——水的重度，kN/m3； γ1——消力池底板的饱和重度，kN/m3。 该工程可根据抗冲要求，按式（3—16）计算消力池底板厚度。其中k1取为0.18，q为确定池深时的过闸单宽流量，此处q=42.7m3/（s.m），ΔH`为相应于单宽流量的上、下游水位差（上游水深8.5，下游水深6.1m），则其底板厚度为： t=0.1842.72.4=1.46（m） 可取消力池底板厚度为t=1.5m。 (4)．消力池的构造 小于跃后水深时，可采用挖深式消力池消能；②闸下游尾水深度略小于跃后水深时，可采用消力槛式消力池消能；③闸下游尾水深度远小于跃后水深，且计算深度应较深时，可采用挖深式与消力槛式相结合的综合式消力池消能。 护坦与闸室、岸墙及翼墙之间，以及其本身沿水流方向均应用缝分开，以适应不均匀沉陷和温度变形。护坦自身缝距可取10～20m，靠近翼墙的取小些，缝宽2.0～2.5cm。护坦在垂直水流方向通常不设缝，以保证其稳定性。缝若在闸基防渗范围内，缝中应设止水设置，其他一般铺设沥青油毛毡。为增强护坦的抗滑稳定性，常在消力池末端设置齿墙，深一般为0.8～1.5m，宽为0.6～0.8m。 结合本工程的特点，选用挖深式消力池。为了便于施工，消力池的底板作成等厚，为了降低底板下部的渗透压力，在水平底板的后半部设置排水孔，孔下铺设反滤层，排水孔孔径为10cm，间距为2m，呈梅花形布置。 消力池构造尺寸如下图3—3。 19
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