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1、(10)申请公布号 CN 104120690 A (43)申请公布日 2014.10.29 C N 1 0 4 1 2 0 6 9 0 A (21)申请号 201410323369.6 (22)申请日 2014.07.08 E02B 8/06(2006.01) (71)申请人广东省水利水电科学研究院 地址 510610 广东省广州市天寿路116广东 水利大厦B座 (72)发明人黄智敏 陈卓英 罗岸 朱红华 付波 黄健东 钟勇明 (74)专利代理机构广州嘉权专利商标事务所有 限公司 44205 代理人郑莹 (54) 发明名称 拦河闸下游一级消力池尾坎高度计算方法 (57) 摘要 本发明公开了拦河。
2、闸下游一级消力池尾坎高 度计算方法，根据一级消力池水平段池底高程、拦 河闸泄流单宽流量、池底总水头、流速系数等，计 算出一级消力池的进口收缩断面水深、跃后水深 和水跃长度；根据池末的尾坎高度初值、尾坎体 型和尾坎下游陡坡段的坡度，计算出尾坎顶的水 深值；并重复计算得到优化的尾坎高度和水平段 池长值；最后对尾坎高度值进行合理性验证。本 发明根据尾坎高度初值和尾坎顶水深值的重复计 算，得到优化布置的尾坎高度和水平段池长值，提 升了现有拦河闸下游消能防冲的水力计算的精确 性；并通过对尾坎高度值进行合理性验证，保证 工程应用的安全性。本发明作为拦河闸下游一级 消力池尾坎高度计算方法，可广泛应用于水利工。
3、 程领域。 (51)Int.Cl. 权利要求书1页 说明书4页 附图2页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书4页 附图2页 (10)申请公布号 CN 104120690 A CN 104120690 A 1/1页 2 1.拦河闸下游一级消力池尾坎高度计算方法，其特征在于：包括有以下步骤： A、根据一级消力池水平段池底高程、拦河闸泄流单宽流量、池底总水头、流速系数，计 算出一级消力池的进口收缩断面水深、跃后水深和水跃长度； B、根据尾坎高度初值、尾坎的体型和尾坎下游陡坡段的坡度计算尾坎顶水深值； C、根据尾坎高度初值和尾坎顶水深值的重复计算，得到优。
4、化的尾坎高度和水平段池长 值； D、对上述计算得到的尾坎高度值进行合理性验证。 2.根据权利要求1所述的拦河闸下游一级消力池尾坎高度计算方法，其特征在于：所 述步骤B具体为：根据尾坎高度初值、尾坎体型和尾坎下游陡坡段的坡度，得出尾坎泄流的 流量系数，进而计算尾坎顶水深值。 3.根据权利要求1所述的拦河闸下游一级消力池尾坎高度计算方法，其特征在于：所 述步骤C中重复计算的次数根据拦河闸上游为正常蓄水位相应的闸门控泄的最大闸门开 度运行的水文组次或设计洪水频率流量和校核洪水频率流量泄流运行的水文组次得出。 4.根据权利要求3所述的拦河闸下游一级消力池尾坎高度计算方法，其特征在于：所 述步骤C包括有。
5、以下子步骤： C1、根据尾坎高度初值与尾坎顶水深值之和与跃后水深的比例确定水平段池长； C2、重复上述步骤，计算出优化的尾坎高度和水平段池长值。 5.根据权利要求4所述的拦河闸下游一级消力池尾坎高度计算方法，其特征在于：所 述步骤C1中确定水平段池长的具体过程为： 当比例的取值范围属于1.11.2时，水平段池长为水跃长度与系数k的乘积，k的取 值范围为0.951； 当比例的取值范围属于1.21.3时，水平段池长为水跃长度与系数k的乘积，k的 取值范围为0.850.95。 6.根据权利要求1所述的拦河闸下游一级消力池尾坎高度计算方法，其特征在于：所 述步骤D的合理性验证的具体过程为： 若尾坎顶高。
6、程值低于拦河闸闸室堰顶高程，则尾坎高度值是合理的； 若尾坎顶高程值不低于拦河闸闸室堰顶高程，则在设计洪水频率和校核洪水频率流量 运行条件下，计算拦河闸泄流能力是否能够满足工程设计的要求。 权 利 要 求 书CN 104120690 A 1/4页 3 拦河闸下游一级消力池尾坎高度计算方法 技术领域 0001 本发明涉及水利工程领域，尤其是拦河闸下游一级消力池尾坎高度计算方法。 背景技术 0002 底流消能是低水头拦河闸泄流消能最为常用的一种方法。通常可根据拦河闸泄流 落差、闸址地形和地质条件、两岸翼墙和堤围的安全、工程施工和投资等，选择修建一级或 两级消力池。目前，由于众多的拦河闸下游河道河床下。
7、切、水位降低，造成拦河闸下游消能 工出险，需进行除险改造，拦河闸下游消能工除险改造在以下两种情况下，可以优先考虑采 用两级消力池布置：1)现状消力池仍可加以利用；2)若现状消力池无法使用，但闸下游采 用一级消力池布置会使消力池两岸端翼墙过高、影响两岸堤围的稳定和安全，或工程投资 过大、施工困难等。因此，以上的两种情况可在现状消力池加固改造或重建的基础上，在其 下游增设二级消力池，采用分级消能以确保工程的安全运行。 0003 由于拦河闸下游采用两级消力池运行的水流条件较复杂，其体型布置和水力计算 方法也相对较复杂，相关的研究成果所见不多。通常，设置两级消力池的拦河闸下游一级消 力池在中小洪水流量。
8、(甚至大洪水流量)运行时，下游河道水位往往较低，一级消力池尾坎 出流多呈自由出流状况。因此，在拦河闸各级洪水流量泄流条件下，一级消力池内应形成稳 定的水跃，不应出现折冲水流、远驱式水跃等不良流态，池末端尾坎出流应较平稳沿下游陡 坡段进入二级消力池。 发明内容 0004 为了解决上述技术问题，本发明的目的是：拦河闸下游一级消力池尾坎高度计算 方法。 0005 本发明所采用的技术方案是：拦河闸下游一级消力池尾坎高度计算方法，包括有 以下步骤： 0006 A、根据一级消力池水平段池底高程、拦河闸泄流单宽流量、池底总水头、流速系 数，计算出一级消力池的进口收缩断面水深、跃后水深和水跃长度； 0007 。
9、B、根据尾坎高度初值、尾坎体型和尾坎下游陡坡段的坡度，计算尾坎顶水深值； 0008 C、根据尾坎高度初值和尾坎顶水深值的重复计算，得到优化的尾坎高度和水平段 池长值； 0009 D、对上述计算得到的尾坎高度值进行合理性验证。 0010 进一步，所述步骤B具体为：根据尾坎高度初值、尾坎体型和尾坎下游陡坡段的坡 度，得出尾坎泄流的流量系数，进而计算尾坎顶的水深值。 0011 进一步，所述步骤C中重复计算的次数根据拦河闸上游为正常蓄水位相应的闸门 控泄的最大闸门开度运行的水文组次或设计洪水频率流量和校核洪水频率流量泄流运行 的水文组次得出。 0012 进一步，所述步骤C包括有以下子步骤： 说 明 书。
10、CN 104120690 A 2/4页 4 0013 C1、根据尾坎高度初值与尾坎顶水深值之和与跃后水深的比例确定水平段池长； 0014 C2、重复上述步骤，计算出优化的尾坎高度和水平段池长值。 0015 进一步，所述步骤C1中确定水平段池长的具体过程为： 0016 当比例的取值范围属于1.11.2时，水平段池长为水跃长度与系数k的乘积，k 的取值范围为0.951； 0017 当比例的取值范围属于1.21.3时，水平段池长为水跃长度与系数k的乘积， k的取值范围为0.850.95。 0018 进一步，所述步骤D的合理性验证的具体过程为： 0019 若尾坎顶高程值低于拦河闸闸室堰顶高程，则尾坎高。
11、度值是合理的； 0020 若尾坎顶高程值不低于拦河闸闸室堰顶高程，则在设计洪水频率和校核洪水频率 流量运行条件下，计算拦河闸泄流能力是否能够满足工程设计的要求。 0021 本发明的有益效果是：本发明根据尾坎高度初值和尾坎顶水深值的重复计算，得 到优化的尾坎高度和水平段池长值，提升了现有拦河闸下游消能防冲的水力计算的精确 性；并通过对上述计算得到的尾坎高度值进行合理性验证，即在设计洪水和校核洪水等洪 水频率流量运行条件下，计算复核拦河闸泄流能力是否能够满足工程设计的要求，保证工 程应用的安全性。 附图说明 0022 图1为拦河闸下游消力池体型和水力参数示意； 0023 图2为拦河闸下游水跃的水力。
12、参数示意； 0024 图3为一级消力池体型和水力参数示意图； 0025 图4为本发明的方法步骤流程图。 具体实施方式 0026 下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明： 0027 参照图1、图2和图3，说明拦河闸下游消力池体型和水力各参数： 0028 根据水闸设计规范(SL265-2001)等，通常采用下列公式计算拦河闸下游消力池 的水力参数和体型参数： 0029 进口收缩断面水深h 1 0030 跃后水深h 2 0031 池长L sj L sj L s +L j 0032 L j 6.9(h 2 -h 1 ) 0033 池深S Sh 2 -t-Z 0034 0035 式中，q为拦河闸。
13、泄流单宽流量；E 0 为以消力池底板为基准计算的总水头；为流 说 明 书CN 104120690 A 3/4页 5 速系数；g为重力加速度；F r1 为消力池进口佛劳德数( v为进口断面平均流 速)；L sj 为消力池长度；L s 为消力池斜坡段水平投影长度；L j 为水跃长度；为水跃长度校 正系数，可取0.70.8；为水跃淹没度，可取1.051.1；t为消力池下游水深； Z为消力池末端出口水面落差；为消力池出口段流速系数，可取0.95。 0036 按照上述公式，在工程设计中，在已知拦河闸泄流单宽流量q、总水头E 0 、消力池下 游水深t(或闸下游水位Z t )等水力参数条件下，可计算出拦河闸。
14、下游消力池的水跃参数 (如消力池进口收缩断面水深h 1 、跃后水深h 2 、水跃长度L j 等)、池长L sj 和池深S等。 0037 为了使拦河闸下游一级消力池内能够形成稳定的水跃，应满足消力池尾坎前缘水 深(T+h)h 2 (h 2 为跃后水深)、水平段池长LL j (为系数，L j 为水跃长度)的要求， 本发明具体实施方法如下： 0038 A、根据一级消力池水平段池底高程、拦河闸泄流单宽流量q、池底总水头E 0 、流速 系数，计算出消力池的进口收缩断面水深h 1 、跃后水深h 2 和水跃长度L j ； 0039 一级消力池水平段池底高程可根据工程的布置、地质和地形、施工条件和工程投 资等。
15、确定。 0040 B、根据尾坎高度初值T 0 、尾坎体型和尾坎下游陡坡段的坡度，计算尾坎顶水深值； 0041 根据初选的T 0 值、尾坎体型、尾坎下游陡坡段的坡度(即一、二级消力池之间陡坡 段的坡度)等，查阅有关水力计算手册(如水力计算手册等)，查出尾坎泄流的流量系数 m，计算出一级消力池尾坎顶的水深值h(计算式为q 0 为一级消力池尾坎 单宽流量)。 0042 C、根据尾坎高度初值和尾坎顶水深值的重复计算，得到尾坎高度和水平段池长 值； 0043 根据初选的尾坎高度T 0 和计算的尾坎顶水头h等，由(T 0 +h)/h 2 的比值，确定消 力池水平段池长L，具体方法为：为了使一级消力池内形成。
16、稳定的水跃，若(T 0 +h)/h 2 1.11.2，可取L/L j 10.95；若(T 0 +h)/h 2 1.21.3，则可取L/L j 0.95 0.85。 0044 因此，通过反复的调整和计算消力池末端尾坎的高度T值，直至得出一级消力池 合理的尾坎高度T(即池深)和水平段池长L。 0045 所述步骤C中重复计算的次数选择拦河闸运行的有代表性的水文组次，即根据拦 河闸上游为正常蓄水位相应的闸门控泄的最大闸门开度运行的水文组次或设计洪水频率 流量和校核洪水频率流量泄流运行的水文组次得出。 0046 D、对上述计算得到的尾坎高度值进行合理性验证。 0047 若尾坎顶高程值低于拦河闸闸室堰顶高。
17、程，则一级消力池池末的尾坎设置对拦河 闸的泄流能力无影响，因此一级消力池池末尾坎的高度设置是合理的。 0048 若尾坎顶高程值不低于拦河闸闸室堰顶高程，则在设计洪水频率和校核洪水频率 流量运行条件下，计算拦河闸泄流能力是否能够满足工程设计的要求。具体的计算方法 为： 0049 在新建的拦河闸工程中，若受闸址地形和地质条件、两岸翼墙和堤围的安全、工程 施工和投资等影响，一级消力池底板基础不宜开挖的太深；或者在现状的拦河闸下游消力 说 明 书CN 104120690 A 4/4页 6 池除险改造中，若其一级消力池底板仍可以利用等，为了满足一级消力池消能和池深布置 的要求，可将其池末尾坎顶适当加高，。
18、甚至将尾坎顶加高至略高于拦河闸闸室堰顶高程。一 级消力池末端尾坎顶加高之后，应在设计洪水和校核洪水等洪水频率流量运行条件下，计 算复核拦河闸泄流能力是否能够满足工程设计的要求，计算复核可在相应洪水流量的拦河 闸下游水位条件下，一级消力池尾坎顶过水面积应大于拦河闸闸孔总净过水面积。 0050 以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施 例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可以作出种种的等同变换或替 换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。 说 明 书CN 104120690 A 1/2页 7 图1 图2 图3 说 明 书 附 图CN 104120690 A 2/2页 8 图4 说 明 书 附 图CN 104120690 A 。