以某工程改进型跌水消能池为例计算分析排水管道的跌水消能构筑物设计

张 睿

摘要：以某工程改进型跌水消能池（跌水10米）为例，计算分析水力消能池的设计计算方法及参数确定。本次设计消能不同于传统的跌水超过5米的多级消能方式，而是采用消能格栅、消力坎等辅助设施，通过进口渠、消能格栅、水舌、水跃、消力坎等计算设计，将排水渠道排出的高位水、急流水转变为低位水、缓流水，以消除势能、动能的消能方式，以节约占地，降低成本。本次计算参照《水力计算手册（第二版）》中第五篇渠系建筑物的水力计算的第二章落差建筑物第二节跌水。

关键词：消能格栅；消能池；水舌；水跃；消力坎。

Key words: stilling grid；plunge pool；water jet；water jump; energy dissipation sill。

引言

在落差大的排水或者泄洪等水流管线中，要考虑在自身结构中消除水流挟带的能量。消能机理主要表现在掺气水流从高处进口渠跌入消能池中上、下翻滚,相互冲撞消能。

跌水就是用于落差集中处，根据落差大小，跌水可做成单级或多级。

在落差较小的情况下，一般3~5m的落差时，采用单级跌水。单级跌水由4部分组成：①进口；②跌水墙；③消力池④出口。

落差在5 米以上时 ，一般采用多级跌水，多级跌水的结构与单级跌水相似。多级跌水的进口和最末一级消能出口的水力计算与单级跌水相同，其中间各级的上级跌水消力池的末端，即下一级跌水的进口。

市政排水项目中，受地下空间限制和费用成本控制的影响，在较大跌水时无法采用多级跌水的形式，因此针对该情况提出了大跌水中的改进型跌水消能池。

作用

1、消能池能将大部分能量在跌水过程中于管线或构筑物内消除，下游的出口处不会对河床造成危害，保护河岸，减少河岸加固的费用。

2、排水管线内的消能池可以避免在泄水构筑内发生空蚀破坏，减少水压对管道壁的冲击，增长管道使用寿命。

3、在较小空间和较短距离内，安全地泄散管道内势能与动能，使上游水流与下游水流获得妥善衔接。兼顾考虑水流引起的空蚀、脉动、振动、磨损以及冲刷等破坏作用，保证管道、消能构筑物以及城市管网的安全与耐久要求，确保城市排水正常有序。

4、在经济方面，从工程总体出发，综合考虑工程量少、造价低、施工便利以及工期缩短等因素，建成后管理运维便利，节省维护检修费用。

设计计算分析

以具体项目设计为例，对改进型跌水消能池进行介绍：

一、设计计算条件：

1、管径d2000 流量7.612m³/s，流速2.42m/s。

2、格栅式跌水消能池宽度取5米。

3、管道接入及接出处设置0.5米跌水，考虑顶管所需要的底部操作空间，及管道断面变化处的水面衔接顺畅。

4、跌水考虑设置多层格栅，每层高度2.5~3.5米。

二、消能池计算

(1)格栅跌水高度

考虑进口、出口段均跌水0.5米，因此格栅处跌水高度为P=9米。

（2）跌水总高度理论值

P1=P+h=9+0.629=9.629m

（3）计算参数D

D=1.522²/（9.81×9.629³）=0.00026

（4）跌落水舌长度

（水力计算手册P237 公式5-2-45）

Ld=4.3× 0.00026^0.27×9.629=4.479

（5）水舌后水深

（水力计算手册P237 公式5-2-46）

h_p= 0.00026^0.22×9.629=1.572

（6）收缩水深

（水力计算手册P237 公式5-2-47）

h_c=0.54×0.00026^0.425×9.629=0.157

（7）跃后水深

（水力计算手册P237 公式5-2-48）

h^”_c=1.66×0.00026^0.27×9.629=1.729

（8）水跃长度

（水力计算手册P237 公式5-2-49）

Lj=6.9×（1.729-0.157）=10.848

（9）坎顶水头

（水力计算手册P240 ）

H₁₀=（1.522/0.42/ ）^2/3=0.875

（10）坎顶水深

（水力计算手册P240 ）

H1=0.875-（1.522²/（2*9.81×1.729²））=0.835

（11）消力坎高度

（水力计算手册P240 ）

c1=1.05×1.762-0.837=1.255 取2.0米。

（12）消力坎坎顶长度

（水力计算手册P240 ）

=1.5×0.835=1.253 取2.0米。

（13）平台长度 （水力计算手册P240）

l₁=4.479+0.8（1.9×1.729-0.157）+1.253=8.235 取10米。

池底长度L=l_d+l_j=4.479+10.848=15.327 取16m

结语

该改进型跌水消能池在较小空间和较短距离内，泄散管道内势能与动能，使上游水流与下游水流获得妥善衔接，技术可靠，施工便利，经济合理，运维方便。

参考文献：

[1]《水力计算手册（第二版）》（武汉大学水利水电学院，水力学流体力学教研室 李炜 主编）。

[2] 《室外排水工程设计规范（2016年版）》（主编部门 上海市建设和交通委员会 中国计划出版社）。

[3]《跌水与陡坡》（中国水利水电出版社 刘韩生等主编）。