水力学论文
摘 要： 针对常规矩形断面消力池消能效率不高的问题，开展关于非矩形断面消力池的研究。基于水力学原理，从结构设计、流场分布、摩擦阻力、消能效率等方面对其进行对比分析。结果表明，非矩形断面消力池能够增大水流紊动强度，显着提高消能效率，对保障工程经济效益、防止下游河床冲刷等意义重大。
关键词： 非矩形断面; 消力池; 消能效率; 水力学原理; 对比分析;
引言
大型水利工程建筑物在下泄高速水流时，水流的消能是其中的关键性问题，直接关系到工作人员的人身安全和工程的使用年限。现有消能方式主要为挑流式、底流式、面流式三种，其中挑流式消能被广泛应用于许多大型水电站下游，但由于其常常形成雾化等问题，故弊端仍较为显着；而底流式消能则通过形成淹没水跃来提高消能效率，目前正处在推广之中，然而由于常规矩形断面棱柱体消力池结构较为单一，故消能效率有限，制约了其进一步发展。故而有必要在分析消力池计算原理的基础上，进一步研究新型结构的消力池，从而提高消能效率，保障经济效益。
一、消力池计算原理概述
当大型水利工程建筑物下泄高速水流时，会形成剧烈翻滚的水跃现象，而淹没式水跃中水流质点间相互混掺，动能交换较为剧烈，且不会显着影响下游的海漫等消能工，故常为消能首选。故在淹没水跃设计条件下，基于现有水力学公式，进行下列计算。
1．池深d计算
在有效总水头、单宽流量、收缩断面水深、流速系数已知的情况下，可采取试算法或图解法求得收缩断面水深hc0，公式如下：
求得收缩断面水深后，可根据如下公式求得弗劳德数
再由共轭水深关系，推求跃后断面水深
其中，为水跃跃前断面弗劳德数。求得后，可根据公式
2．池长l计算
对于消力池池长l，一般采取以下公式计算
一般地，若消力池池深与池长均已确定，则该消力池可视为定型。
二、消力池对比
为对比常规矩形断面消力池与新型非矩形断面消力池的消能效率，现采取一应用实例加以分析。
某大型水工建筑物开闸泄水，溢洪道宽度为8.0m，顶端高程为108.0m，河床高程为98.0m，上游水位112.7m，下游水位103.8m，过坝单宽流量q=11.6m3/s。假设棱柱形断面渠道各水力要素沿程不变，进行分析计算。
1．矩形断面消力池
按照此前陈述公式及计算方法，矩形断面棱柱形渠道计算结果如表1。
表1 常规矩形断面渠道消能工参数
并根据消能效率计算公式
可求得该常规单甬道消能工消能效率约为52%。
2．非矩形断面消力池
对于下述非矩形断面棱柱体渠道消力池，由于无经验公式等直接运用进行计算，故采取复式断面渠道的计算公式，将其分成不同宽浅的复式断面，并综合进行定性分析。
(1）双甬道棱柱体渠道
双甬道棱柱体渠道，即为在渠道两侧挖深，中部开挖较浅（如图1）。可观察到在中部凸起部位两侧形成漩涡状流场，能够加大内部水流与渠道的摩擦，从而提升消能效率。
将渠道断面自左向右分成三个矩形断面部分，采取复式断面渠道的计算公式进行初步计算，可得出消能效率约为60%～65%。
(2）三甬道棱柱体渠道
三甬道棱柱体渠道，即为在渠道内左、中、右三段挖深，另有两段开挖较浅（如图2）。可观察到两侧挖深部位均形成漩涡状流场，中部挖深部位有明显的流线下凹，增大了液流质点之间的紊动，利于底流消能。
图2 三甬道棱柱体渠道剖面流场示意图
将渠道断面自左向右分成五个矩形断面部分，采取复式断面渠道的计算公式进行初步计算，可得出消能效率约为60%～70%。
(3）阶梯式棱柱体渠道
阶梯式棱柱体渠道，即为在中部挖深，两侧下挖较浅，垂直流向形成阶梯状渠道底面（如图3）。可观察到在中部挖深较深处的两侧均形成漩涡状流场，且两侧挖深较浅处形成曲率较大的流线，进一步加大了液流与渠道壁面之间的摩擦阻力；且由于左右两侧与中部存在高度差，故可形成与流向垂直的水力梯度，加大了液流质点之间的混掺作用，提高了消能效率。
将渠道断面自左向右分成三个矩形断面部分，采取复式断面渠道的计算公式进行初步计算，可得出消能效率约为60%～70%。
图3 阶梯式棱柱体渠道剖面流场示意图
(4）弧形边界式渠道
弧形边界式渠道，即为将原本棱柱形的渠道边界设置为弧形（如图4）。可观察到由于弧形边界的设置，形成了弧形流线和漩涡状流场，进一步加大了液流与渠道边界、液流之间的摩擦阻力，提高了消能效率。关于该种结构的消力池，目前还无法通过已知参数精确计算其消能效率，但可采取池前、池后观测流速、水深的方法，先计算弗劳德数，再根据公式计算消能效率。
图4 弧形边界式渠道流场示意图（俯视图）
三、结论
通过对常规矩形断面消力池与新型非矩形断面消力池从结构设计、流场分布、摩擦阻力、消能效率等方面进行对比分析，得出以下结论。
(1）相较于常规消力池，非矩形断面棱柱体渠道增设了许多直角折弯，从而能够形成弧形流线与漩涡状流场，增强了液流质点之间的紊动以及液流与渠道边壁间的摩擦阻力；也可通过底面的高低落差来形成与流向垂直的水力梯度，显着提高了消能效率。
(2）相较于常规消力池，弧形边界式渠道一改原先矩形棱柱体断面沿程不变的特征，将消力池整体设计成大尺度弧线边壁的涡式渠道，能够在消力池内部形成两个漩涡状流场，通过液流内部的质点混掺来进一步消能。
(3）新型消力池在保障工作人员人身安全、提高工程经济效益和防止河床下游冲刷等方面具有十分明显的优势，对于目前大型水电站的消能泄洪而言意义重大。如何因地制宜地布设消力池、如何对消力池采取一定的防冲、防渗措施来延长其使用年限等，值得进一步深入研究。
参考文献
[1]赵振兴，何建京等.水力学（第二版）[M].北京：清华大学出版社，2010.