张 睿
（陕西建工安装集团有限公司，西安，710068）
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
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(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
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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× 0.000260.27×9.629=4.479
（5）水舌后水深
（水力计算手册P237 公式5-2-46）
hp= 0.000260.22×9.629=1.572
（6）收缩水深
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（水力计算手册P237 公式5-2-47）
hc=0.54×0.000260.425×9.629=0.157
（7）跃后水深
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（水力计算手册P237 公式5-2-48）
h”c=1.66×0.000260.27×9.629=1.729
（8）水跃长度
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（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
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（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
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（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）
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l1=4.479+0.8（1.9×1.729-0.157）+1.253=8.235 取10米。
池底长度L=ld+lj=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）。