摘要：目前，在高水頭、大單寬流量工程中，挑流消能方式應(yīng)用較廣。底流消能方式則具有獨特的優(yōu)勢。它具有入池流態(tài)穩(wěn)定、消能效率高、對地質(zhì)條件和尾水位變化適應(yīng)性較強、泄洪霧化影響小等優(yōu)點, 常常在中、低水頭的泄水消能工程中被采用。

　　關(guān)鍵詞：消能方式,挑流消能,底流消能,面流消能,戽流消能,其他消能方式

　　0前言

　　近幾十年來，國內(nèi)水利水電建設(shè)迅速發(fā)展，水電樞紐工程的規(guī)模越來越大。下游的消能防沖建筑物是影響水電樞紐工程安全運行的重要部位之一。消能防沖建筑物的設(shè)計原則：盡量使下泄水流的大部分能量消耗在水流內(nèi)部的紊動中，以及水流與空氣之間摩擦上，不產(chǎn)生危及壩體安全的河床和岸坡的局部沖刷;下泄水流平穩(wěn)，不影響樞紐中其他建筑物的正常運行;結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，工程量小;滿足通航、過木、過魚、排冰等要求。傳統(tǒng)消能方式有：挑流消能、底流消能、面流消能和消力戽消能。目前，在高水頭、大單寬流量工程中，挑流消能方式應(yīng)用較廣。在中、低水頭的工程中，底流消能形式運用較廣。戽流和面流消能方式應(yīng)用相對較少。在目前人們對高壩挑流消能引起的泄洪霧化等環(huán)境問題日益重視的現(xiàn)狀下，底流消能方式具有獨特的優(yōu)勢。底流消能具有入池流態(tài)穩(wěn)定、消能效率高、對地質(zhì)條件和尾水位變化適應(yīng)性較強、泄洪霧化影響小等優(yōu)點。

　　1 挑流消能

　　挑流消能是泄水建筑物中應(yīng)用非常廣泛的一種消能方式，適用于較堅固的基巖。它是利用泄水建筑物出口部分的挑流鼻坎，將下泄高速水流自由拋射，在空氣消耗一小部分能量，然后落入離建筑物較遠的河床，水舌跌入水墊后形成淹沒射流與四周水體進行剪切、混摻、紊動、擴散作用消耗大部分動能，潛入河底的主流剩余能量有可能造成河床沖刷而形成沖刷坑。下游沖刷坑并不一定會危及建筑物的安全，只要控制好沖刷深度，及其與建筑物之間有足夠長的距離，建筑物的安全就能得到保證。一般認為挑距大于最大坑深的3-4倍以上，即能保障工程的安全。但有時，挑流消能也會對下游河床造成較為嚴重的沖刷，沖坑過深則有可能危及泄水建筑物安全;下游回流強烈時可能對岸坡沖刷較為嚴重;沖坑下游堆積物較多，易使下游河床變形，堆丘將抬高尾水，影響電站及通航;霧化較大，影響樞紐建筑物特別是電站的正常運行。因此，選擇合理的挑流鼻坎體型，有助于改善挑射水流的水力條件，減輕挑流對河床及岸坡的沖刷，減少下游防沖設(shè)施和霧化影響。

　　1933年西班牙的Ricobayo重力拱壩的溢洪道上首次應(yīng)用了挑流消能。在國內(nèi)豐滿水電站溢流壩[2,6]則是最早采用挑流消能的工程之一，時間是1953年。

　　2 底流消能

　　底流消能也稱水躍消能，是利用水躍進行消能的一種消能方式,通過水躍產(chǎn)生的表層逆時針旋滾與主流區(qū)的交界面產(chǎn)生剪切、紊動、摻混以達到消能目的, 從而降低流速。躍前水流流速高，動能大，水深淺，屬于急流;躍后水流屬緩流，流速低，水深大。水躍區(qū)也是主要的消能區(qū)，水面突然躍起，水流表面形成強烈紊動、混摻的漩滾，漩滾下方的主流迅速擴散，流速急劇減小，水深增加。在水躍漩滾內(nèi)，水流的大量動能被消耗。底流消能的主要特征是臨底流速大，水流表面有漩滾，水流在水躍區(qū)中通過紊動、擴散和摻混等作用，與周圍水體進行質(zhì)量、動量和能量的交換[10,12]。底流消能具有入池流態(tài)穩(wěn)定、消能效率高、對地質(zhì)條件和尾水位變化適應(yīng)性較強、泄洪霧化影響小等優(yōu)點,能適應(yīng)高、中、低各級水頭和不同的地質(zhì)條件，在軟基上的閘壩工程中采用十分廣泛，而且消能效果好，消能率高達60%~70%。底流消能所耗工程量較大，造價較高，但在地質(zhì)條件較差或中、低水頭水電站中依然得到廣泛應(yīng)用。高水頭運行時，底流消能的臨底流速較大，易對消力池底板產(chǎn)生嚴重的沖刷破壞[13]。此外，脈動壓力問題也比較突出。

　　3 面流消能

　　面流消能適用于下游尾水較深，流量和水位變幅都不大，或有排冰、漂木要求的情況。它是利用設(shè)置在溢流壩末端的跌坎，把經(jīng)溢流壩頂下泄的高速水流導(dǎo)入下游水流的表面，在跌坎附近的表面主流與河床之間形成旋滾，通過旋滾消耗余能，同時該旋滾將高速主流與河床隔開，使高速主流不直接接觸河床，達到消能防沖的目的。

　　面流消能的優(yōu)點在于：主流在下游河床一定距離內(nèi)集中在表層，具有底部漩滾，大大減輕了對下游河床的沖刷，便于排除浮冰及其它漂浮物。其缺點是：消能率低，表面流速大且伴隨著強烈的波動，使水流銜接形式復(fù)雜多變，不易控制，下游水流很長一段距離內(nèi)水面線都不能夠平穩(wěn)，有較大的波浪，對電站運行、下游航運及岸坡穩(wěn)定影響較大。

　　我國西津(最大壩高37m,最大泄量30700m3/s)、富春江(溢流堰高15.6m，最大泄量33800 m3/s)、龔咀 (最大壩高85m,最大泄流量16400m3/s)等工程都采用面流消能。其中，西津水電站溢流壩為我國最早修建的大型面流消能工程。面流消能需要采用其它輔助消能工聯(lián)合運用，才能起到更好的消能效果，其中寬尾墩是最有效的聯(lián)合消能工之一。

　　4 戽流消能

　　消力戽消能適用于尾水較深(通常大于躍后水深)，變幅較小，無航運要求且下游河床和兩岸有一定抗沖能力的情況。它是利用設(shè)置在泄水建筑物出口末端的一個半徑較大的反弧形成的戽斗，在下游尾水淹沒戽斗的條件下，使下泄的高速水流在戽斗內(nèi)產(chǎn)生強烈的面滾,并通過坎上涌浪和底、表漩滾作用，即“三滾一浪”消能[3]。消力戽消能的水力設(shè)計要求[7]是既能防止下游水位過低時出現(xiàn)自由挑流，造成嚴重沖刷;又要避免下游水位過高，淹沒度太大時，挑射水流潛入河底淘刷壩腳。消力戽鼻坎淹沒在下游水位一下，不形成自由挑流，使高速下泄水流在戽內(nèi)產(chǎn)生漩滾，消耗大量能量。消力戽的主要優(yōu)缺點：除戽斗外不需要設(shè)置專門的消力池，工程量相對底流消能要小;沖坑深度相對于挑流消能要淺，且不存在霧化問題;戽流消能需要較高的下游尾水位，其適應(yīng)的水深變化范圍比面流消能廣，流態(tài)也相對較穩(wěn)定。因戽流消能的高速水流在表面，所以減輕了對河床的沖刷，但戽面及戽的末端容易被戽后反向漩滾磨損破壞，與面流相同，戽流消能的下游尾水波動較大，沖刷岸坡也較為嚴重。

　　戽流消能發(fā)展至今已有40多年的歷史，早期在水頭較低的中小型水利工程中應(yīng)用較多。隨著壩工消能技術(shù)的不斷成熟，有一些較高水頭的大型的水利工程也有采用。我國石泉溢流壩[2](最大泄量25200 m3/s)、回龍山[5] (壩高36m,最大泄流量12500m3/s待考證)、八盤峽泄洪閘壩[3](最大泄量8350m3/s)等工程都采用了戽流消能。其中，石泉溢流壩為我國采用戽流消能的第一個大型工程[3]。

　　5其他消能形式

　　收縮式消能是利用結(jié)構(gòu)邊壁的約束強迫過流水流產(chǎn)生變形，使其發(fā)生豎向和縱向的擴散，讓水流產(chǎn)生強烈紊動、摻氣和破碎;同時，由于水流受強迫變形，水流經(jīng)過出口收縮段時各質(zhì)點將以不同的方向在立面中運動，水流將在縱、橫斷面上質(zhì)點流向、流速梯度和壓力梯度等方面發(fā)生急劇的變化，流速的縱向值一般遠大于橫向，縱向擴散一般遠比橫向擴散更為充分，水流從二元流轉(zhuǎn)變?yōu)槿�元流動，水流紊動加劇，摻氣充分，從而提高了消能率，減輕了對河床的沖刷。收縮式消能工的典型代表是寬尾墩和窄縫坎。1954年建成的葡萄牙的卡勃利爾 (Cabril)(壩高134m，單條泄洪洞泄量1100m3/s)拱壩，是最先采用窄縫式消能工的。我國第一個把窄縫消能付諸實施的是龍羊峽水電站(最大壩高175m)。國內(nèi)第一個在高壩溢流面上采用窄縫消能工的是南一水庫(最大壩高93m)。第一個采用寬尾墩的潘家口是挑流消能(壩高103m，收縮比0.667，收縮角18.44°)。

　　臺階式聯(lián)合消能是利用水流沿壩坡或溢洪道表面的階梯下泄時所形成的橫向漩滾及與主流之間的剪切紊動和動量交換來達到消能的目的。由于壩面水流摻氣，在增強消能效果的同時可有效避免階梯面空蝕空化。臺階本身消能效果并非十分顯著，但有益于摻氣可減免空蝕。水東、大朝山等均采用臺階式消能。

　　泄洪洞洞內(nèi)消能有孔板消能、豎井消能和渦旋流消能等多種消能方式。小浪底泄洪洞采用三級板孔消能。孔板消能即洞內(nèi)水流利用孔板收縮擴散，再收縮再擴散而逐級消能。沙牌泄洪洞采用豎井渦旋流消能，水流進入豎井井口的渦室，形成渦旋進入豎井，井內(nèi)自由渦旋水流在豎井邊壁的摩擦力、水流內(nèi)部剪力及阻力作用下，消散大量能量，渦旋水流進入水平明流段后，繼續(xù)漩滾消能，效果顯著。

　　壩頂?shù)�流水墊塘消能是將溢流壩壩頂下泄的高速水流挑入下游且要遠離壩址，水舌在空中擴散、摻氣、碰撞，消散其中一小部分動能，落入下游水墊塘中的高速水流大部分動能在水墊塘內(nèi)淹沒漩滾紊動消能。流溪河、二灘拱壩均采用水墊塘消能。

　　6 結(jié)論

　　綜上所述，這幾種消能工各有各的有點，各有存在各的缺點，有一定的適應(yīng)范圍。近些年在各大水電工程中出現(xiàn)了很多新型的消能方式，但新型的消能方式也是建立在傳統(tǒng)底流消能基礎(chǔ)上的，并對傳統(tǒng)的消能工進行改進優(yōu)化使之更適應(yīng)于具體工程。故水電工程中消能防沖建筑物最基本的消能方式是挑流消能、底流消能、面流消能和消力戽消能。

　　參考文獻(References)：

　　【1】 張健，方杰，范波芹，VOF方法理論與應(yīng)用綜述，水利水電科技進展，2005，25(2)：67-70

　　【2】 李然，李宏，李嘉，氣液兩相流理論在明渠水氣界面計算中的應(yīng)用，水動力學(xué)研究與進展，2002，17(1)：77-83

　　【3】 姚朝輝，葉宏開，王學(xué)芳，空泡潰滅水錘的VOF計算方法，原子能科學(xué)技術(shù)，1995，29(1)：20-26

　　【4】 戴會超，王玲玲，淹沒水躍的數(shù)值模擬，水科學(xué)進展，2004，15(2)：184-188

　　【5】 李艷玲，華國春，張建民，楊永全，胡耀華，單層多股和多層多股水平淹沒射流的消能特性分析，水動力學(xué)研究與進展，