水工消能的研究现状与进展

情况综合利用消能工。

文献标识码：A

文章编号：2095-980X（2015）03-0131-02

收稿日期：2015-02-20

作者简介：王艳（1993-），女，重庆人，大学本科，主要研究方向：水利水电工程。

On the Research Status and Progress in Hydraulic Energy Dissipation

WANG Yan

（School of River and Ocean Engineering，Chongqing Jiaotong University College，Chongqing 404100，China）

Abstract：with the continuous perfection of the various theory related to dam type design and the improvement of the level of processingtechnology，alotofnewenergydissipationshavecomeintobeing，anditispossibletocombinewithlocalsituationtoutilize energydissipatercomprehensively.

Keywords：hydraulicenergydissipation；new；effectofenergydissipation

1　水工建筑物水工消能的基本型式

（1）底流消能。底流消能在我国提出并且研究得较早，应用很广泛，适用于中、高、低各级不同的水头以及不同的地质条件。底流消能是通过水跃，将水流的流态改变，从急流转变为缓流。也称之为水跃消能，通过水跃发生的表面旋滚和强烈紊动来消除余能.在坝址下游设置一定长度的混凝土护坦，过坝水流在护堤坦上发生水跃，形成旋滚，使水流的能量通过掺气﹑水分子的相互撞击﹑摩擦而有一定程度的消耗，以减少或防止下游发生严重冲刷。底流消能具有安全可靠、流态稳定、效能率高、下游冲刷较小、雾化问题较轻避免形成降雨等优点。符合社会对水土保护与环境保护的要求。佛氏数太低会使消力池内水流消能不充分，目前可通过三种措施提高佛氏数，增强消力池效果：第一种是降低单宽流量，扩宽消力池或者是设置二、三级消力池；第二种是在消力池或护坦上加设各种辅助消能工或改良消力池的形态。传统的辅助消能工有趾墩、消力墩、尾墩、尾坎等、均能很好的改善消能效果。一些新型的辅助消能工有T型墩、宽尾墩等。一般来说，辅助消能工，辅助消能工的作用主要是增加水流内部流速梯度，改变水跃型态，使消力池中水流出现旋滚而产生强迫水跃，从而达到提高消能、缩短消力池长度的目的。第三种是增加消浪措施，使跃后水流达到相对平静。

（2）挑流消能。挑流消能是一种经济且方便的，水力计算也较简单的消能方式，一般适用于尾水较低，岩基条件

较好的工程。近几年也有对软基挑流消能进行的讨论分析，在模型试验中取得较好的研究成果。挑流消能是利用泄水建筑物出口部分的挑流鼻坎，将下泄的急流抛向空中，然后落入离建筑物较远的河床与下游水流相衔接的消能方式。能耗大体分三部分：急流沿固体边界的摩擦消能；射流在空中与空气摩擦、掺气、扩散消能；射流落入下游尾水中淹没紊动扩散消能。挑流消能通过鼻坎可在挑流范围内有效地控制射流落入下游河床的位置、范围及流量分布，对尾水变幅适应性强，结构简单，施工、维修方便。但其下游冲刷较严重，堆积物较多，尾水波动与雾化都较大。挑流消能应用较广，适于中、高水头，大、中、小流量的各类建筑物。

（3）面流消能。面流消能分戽斗面流消能和跌坎面流消能两类。面流消能造价远低于底流消能，适用于中、低水头，下游尾水较深，水位变幅不大及河岸稳定、抗冲能力强的情况。但是采用面流消能，由于主流位于水流表面，有利于漂木、排冰；但水面波动较大且向下游延伸较远，对岸坡稳定、电站运行和下游航运条件均有不利影响。面流流态复杂多变，对下游尾水条件要求高，保证能得到纯面流的水深范围较小。面流流态与鼻坎布置形式、水头、单宽流量、下游水深及冲淤河床形态等因素有关。若鼻坎形式、水头、泄量已定，随下游水深由小到大，面流将依次出现自由面流、自由混合面流、淹没混合面流、淹没面流等流态。就河床冲刷而言，淹没面流及自由面流较轻，自由混合面流及淹没混合面流严重些。当有漂木、排冰等要求时，流态应控制在自由面流;否则，流态视河床抗冲能力可适当放宽。实用流态通常以应用自由面流及自由混合面流居多，淹没混合面流或淹没面流有时也可应用。目前面流流态的水力计算已有很多经验公式，但还不够成熟，一般都要通过水力模型试验验证，以选定合适的设计方案。

2　水工建筑物水工消能的研究现状

（1）T型墩。印度设计的巴凡尼坝是最早应用T型墩的工程，津河水库、三江口溢流坝、拴驴泉坝等都运用了这种消能工。T型墩是由垂直于水流的前墩，连接前墩与尾坎的支腿及尾坎等部分组成。T型墩作为一种新型的辅助消能设施，其主要消能过程是:在墩前产生强迫水跃形成高度撞击的消力池，通过水跃消除大部分能量，其次，墩的局部阻力使墩的周围水体的剪切摩擦碰撞也消除了一部分能量，所以它的消能效果优于传统的消能方式。T型墩消力池的池长，与平底消力池相比可缩短池长，适应尾水变幅较大，并利用了适用于跃后水深较低的特点，使其消能效率明显提高。由于T形墩的存在，使水流坎前池内强迫水跃旋滚、坎后下部旋滚、坎后二次收缩后旋滚及坎上涌浪。“三滚一浪”是T型墩消力池的典型流态。

（2）宽尾墩。宽尾墩是我国首创的一种新型消能工，已成功地应用于安康、五强溪、岩滩隔河岩等许多大型水利水电工程中，取得了显著的技术效果和经济效益。安康水电站采用的是“Y型宽尾墩—消力池”联合消能工，经研究，这种方式适用于低水头、大流量、低佛氏数、深尾水以及下游水位落差变幅大的工程。宽尾墩主要是利用宽尾墩形成堰顶收缩射流，在消力池中形成剧烈掺气的三元水跃，大幅度地提高了消能率，可使消力池的长度减小1~3以上。宽尾墩消能的运用。宽尾墩通常是结合其他消能方式应用水工消能中，有上述的“宽尾墩—消力池”联合消能工，应用于岩滩水电站的“宽尾墩—戽式消力池”。五强溪水利枢纽的“宽尾墩—底孔（挑流）—消力池”联合消能方式，此方式属中国首创。1984年建成的潘家口水电站，曾荣获国家优秀工程设计金奖，它采用的是“宽尾墩—挑流”。此外还有宽尾墩—阶梯式溢流坝、宽尾墩—岸边溢洪道等。在Y型宽尾墩基础上进行改进，又发展出新的X型宽尾墩。在相同的堰上水头情况下，X型宽尾墩的综合流量系数要大于Y型宽尾墩，小于平尾墩。其原因在于过堰水流在平尾墩情况下，顺畅下泄，而在宽尾墩情况下，受两边边墙的缩窄约束，水位壅高，导致下泄不畅。X型宽尾墩方案，部分水流顺畅沿坝面下泄，其余则受宽尾墩约束，因而其综合流量系数就介于Y型宽尾墩和平尾墩之间。经试验验证，X型宽尾墩方案的泄流能力也满足设计要求。平尾墩对溢流面的水流约束少，消能效果甚微，并且水流挑距远；而宽尾墩消能效果好，冲坑浅，但挑距太近。异型宽尾墩就以上两种消能方式的基础上，结合两者优点，能达到较好的消能效果，并且避免过近的挑距，能较好地解决消能防冲等问题。

（3）台阶式消能。①台阶式消能的原理。台阶消能在小流量的情况下，水流从一个台阶落入到下一个台阶，重复跌落，通过和台阶水面的撞击和水流紊动来消除能量。该流态的台阶面是消能效果最好的，效能率最高的。当在大流量的情况下，主要是水流在台阶之间发生水平轴旋转，与陡槽主流发生强烈混掺作用，使水流剧烈紊动，并大量掺气，从而达到消能效果。②台阶式消能的优缺点。对于光滑面溢流道，水流在溢流面上流过时，消耗的能量甚少，绝大部分的能量还是会被输送到下游的消力池或者是水垫塘内，输出池后的余能还是很大。这样的情况下仍需要对下游河岸进行保护措施，增大了工程量且投资较大。而台阶式溢洪道通过流动过程中的掺气、剧烈紊动来降低溢洪道末端的流速。对常遇洪水，台阶消能率一般可达总消能率的70%以上，可有效地减小下游消力池（或消力塘）的规模，降低工程投资，并可解决消力池的布置与地形、地质条件之间的矛盾。台阶式不能应用于大型水库工程，当下泄水流的单宽流量达到一定值时，在泄水槽内的台阶上可能会发生空蚀。并且水流流速会随着沿程增加，流速越大，空蚀破坏越为显著。发生空蚀破坏总是从陡槽末端开始向上游逐渐发展，这也是其不能应用于大型水库工程的主要原因。

（4）多孔出流。①空中碰撞消能。深孔上翘、表孔下跌，

使水舌在空中碰撞消能，这种消能方式能够解决高坝、大流量、窄河谷的工程。射流碰撞的主要作用在于分散水流。其机理是表孔和中孔水舌在空中碰撞，碰撞时在空中消耗部分能量，碰撞后水舌分散射入水垫塘，从而使冲击压力大为减少，改善下泄水流进入水垫塘时的入流条件。除此之外，也有大差动消能工，就是在不同位置布置不同数量的表、中、底泄流孔，使其在空间上形成三维扩散的水舌，加强它的碰撞消能效果。但是其缺点是形成较大的雾化区从而易形成降雨。②分层非碰撞消能考虑到碰撞消能所产生的雾化问题，进一步发展出深孔上翘、表孔下跌（或上翘）分层、横向交错非碰撞入水消能型式。将表、深孔在横向交错布置，在立面分层泄流，使深孔水舌穿过表孔水舌之间的空隙处射出，形成交错入水非碰撞格局。该种型式既可以消除水舌碰撞产生的雾化问题，还可以有效收缩水垫塘的长度。

（5）筛梁式消能。筛网式消能使用于黑龙江省气温低、冬季建筑物冻胀严重的工程。但此种消能形式施工复杂，容易被漂浮物堵塞筛孔，从而影响消能效果。因此发展出筛梁式的消能型式。即在底板后部设垂直水流方向的横梁，梁间间距由密到疏。既起到分散水流的作用，又克服了施工难度及漂浮物堵塞的不利因素。此种方法在黑龙江省绥化等地区应用效果较好。

（6）多股水层淹没射流。地多股水层（下转第134页）