摘要：目前，在高水头、大单宽流量工程中，挑流消能方式应用较广。底流消能方式则具有独特的优势。它具有入池流态稳定、消能效率高、对地质条件和尾水位变化适应性较强、泄洪雾化影响小等优点, 常常在中、低水头的泄水消能工程中被采用。

　　关键词：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

　　近几十年来，国内水利水电建设迅速发展，水电枢纽工程的规模越来越大。下游的消能防冲建筑物是影响水电枢纽工程安全运行的重要部位之一。消能防冲建筑物的设计原则：尽量使下泄水流的大部分能量消耗在水流内部的紊动中，以及水流与空气之间摩擦上，不产生危及坝体安全的河床和岸坡的局部冲刷;下泄水流平稳，不影响枢纽中其他建筑物的正常运行;结构简单，工作可靠，工程量小;满足通航、过木、过鱼、排冰等要求。传统消能方式有：挑流消能、底流消能、面流消能和消力戽消能。目前，在高水头、大单宽流量工程中，挑流消能方式应用较广。在中、低水头的工程中，底流消能形式运用较广。戽流和面流消能方式应用相对较少。在目前人们对高坝挑流消能引起的泄洪雾化等环境问题日益重视的现状下，底流消能方式具有独特的优势。底流消能具有入池流态稳定、消能效率高、对地质条件和尾水位变化适应性较强、泄洪雾化影响小等优点。

　　1 挑流消能

　　挑流消能是泄水建筑物中应用非常广泛的一种消能方式，适用于较坚固的基岩。它是利用泄水建筑物出口部分的挑流鼻坎，将下泄高速水流自由抛射，在空气消耗一小部分能量，然后落入离建筑物较远的河床，水舌跌入水垫后形成淹没射流与四周水体进行剪切、混掺、紊动、扩散作用消耗大部分动能，潜入河底的主流剩余能量有可能造成河床冲刷而形成冲刷坑。下游冲刷坑并不一定会危及建筑物的安全，只要控制好冲刷深度，及其与建筑物之间有足够长的距离，建筑物的安全就能得到保证。一般认为挑距大于最大坑深的3-4倍以上，即能保障工程的安全。但有时，挑流消能也会对下游河床造成较为严重的冲刷，冲坑过深则有可能危及泄水建筑物安全;下游回流强烈时可能对岸坡冲刷较为严重;冲坑下游堆积物较多，易使下游河床变形，堆丘将抬高尾水，影响电站及通航;雾化较大，影响枢纽建筑物特别是电站的正常运行。因此，选择合理的挑流鼻坎体型，有助于改善挑射水流的水力条件，减轻挑流对河床及岸坡的冲刷，减少下游防冲设施和雾化影响。

　　1933年西班牙的Ricobayo重力拱坝的溢洪道上首次应用了挑流消能。在国内丰满水电站溢流坝[2,6]则是最早采用挑流消能的工程之一，时间是1953年。

　　2 底流消能

　　底流消能也称水跃消能，是利用水跃进行消能的一种消能方式,通过水跃产生的表层逆时针旋滚与主流区的交界面产生剪切、紊动、掺混以达到消能目的, 从而降低流速。跃前水流流速高，动能大，水深浅，属于急流;跃后水流属缓流，流速低，水深大。水跃区也是主要的消能区，水面突然跃起，水流表面形成强烈紊动、混掺的漩滚，漩滚下方的主流迅速扩散，流速急剧减小，水深增加。在水跃漩滚内，水流的大量动能被消耗。底流消能的主要特征是临底流速大，水流表面有漩滚，水流在水跃区中通过紊动、扩散和掺混等作用，与周围水体进行质量、动量和能量的交换[10,12]。底流消能具有入池流态稳定、消能效率高、对地质条件和尾水位变化适应性较强、泄洪雾化影响小等优点,能适应高、中、低各级水头和不同的地质条件，在软基上的闸坝工程中采用十分广泛，而且消能效果好，消能率高达60%~70%。底流消能所耗工程量较大，造价较高，但在地质条件较差或中、低水头水电站中依然得到广泛应用。高水头运行时，底流消能的临底流速较大，易对消力池底板产生严重的冲刷破坏[13]。此外，脉动压力问题也比较突出。

　　3 面流消能

　　面流消能适用于下游尾水较深，流量和水位变幅都不大，或有排冰、漂木要求的情况。它是利用设置在溢流坝末端的跌坎，把经溢流坝顶下泄的高速水流导入下游水流的表面，在跌坎附近的表面主流与河床之间形成旋滚，通过旋滚消耗余能，同时该旋滚将高速主流与河床隔开，使高速主流不直接接触河床，达到消能防冲的目的。

　　面流消能的优点在于：主流在下游河床一定距离内集中在表层，具有底部漩滚，大大减轻了对下游河床的冲刷，便于排除浮冰及其它漂浮物。其缺点是：消能率低，表面流速大且伴随着强烈的波动，使水流衔接形式复杂多变，不易控制，下游水流很长一段距离内水面线都不能够平稳，有较大的波浪，对电站运行、下游航运及岸坡稳定影响较大。

　　我国西津(最大坝高37m,最大泄量30700m3/s)、富春江(溢流堰高15.6m，最大泄量33800 m3/s)、龚咀 (最大坝高85m,最大泄流量16400m3/s)等工程都采用面流消能。其中，西津水电站溢流坝为我国最早修建的大型面流消能工程。面流消能需要采用其它辅助消能工联合运用，才能起到更好的消能效果，其中宽尾墩是最有效的联合消能工之一。

　　4 戽流消能

　　消力戽消能适用于尾水较深(通常大于跃后水深)，变幅较小，无航运要求且下游河床和两岸有一定抗冲能力的情况。它是利用设置在泄水建筑物出口末端的一个半径较大的反弧形成的戽斗，在下游尾水淹没戽斗的条件下，使下泄的高速水流在戽斗内产生强烈的面滚,并通过坎上涌浪和底、表漩滚作用，即“三滚一浪”消能[3]。消力戽消能的水力设计要求[7]是既能防止下游水位过低时出现自由挑流，造成严重冲刷;又要避免下游水位过高，淹没度太大时，挑射水流潜入河底淘刷坝脚。消力戽鼻坎淹没在下游水位一下，不形成自由挑流，使高速下泄水流在戽内产生漩滚，消耗大量能量。消力戽的主要优缺点：除戽斗外不需要设置专门的消力池，工程量相对底流消能要小;冲坑深度相对于挑流消能要浅，且不存在雾化问题;戽流消能需要较高的下游尾水位，其适应的水深变化范围比面流消能广，流态也相对较稳定。因戽流消能的高速水流在表面，所以减轻了对河床的冲刷，但戽面及戽的末端容易被戽后反向漩滚磨损破坏，与面流相同，戽流消能的下游尾水波动较大，冲刷岸坡也较为严重。

　　戽流消能发展至今已有40多年的历史，早期在水头较低的中小型水利工程中应用较多。随着坝工消能技术的不断成熟，有一些较高水头的大型的水利工程也有采用。我国石泉溢流坝[2](最大泄量25200 m3/s)、回龙山[5] (坝高36m,最大泄流量12500m3/s待考证)、八盘峡泄洪闸坝[3](最大泄量8350m3/s)等工程都采用了戽流消能。其中，石泉溢流坝为我国采用戽流消能的第一个大型工程[3]。

　　5其他消能形式

　　收缩式消能是利用结构边壁的约束强迫过流水流产生变形，使其发生竖向和纵向的扩散，让水流产生强烈紊动、掺气和破碎;同时，由于水流受强迫变形，水流经过出口收缩段时各质点将以不同的方向在立面中运动，水流将在纵、横断面上质点流向、流速梯度和压力梯度等方面发生急剧的变化，流速的纵向值一般远大于横向，纵向扩散一般远比横向扩散更为充分，水流从二元流转变为三元流动，水流紊动加剧，掺气充分，从而提高了消能率，减轻了对河床的冲刷。收缩式消能工的典型代表是宽尾墩和窄缝坎。1954年建成的葡萄牙的卡勃利尔 (Cabril)(坝高134m，单条泄洪洞泄量1100m3/s)拱坝，是最先采用窄缝式消能工的。我国第一个把窄缝消能付诸实施的是龙羊峡水电站(最大坝高175m)。国内第一个在高坝溢流面上采用窄缝消能工的是南一水库(最大坝高93m)。第一个采用宽尾墩的潘家口是挑流消能(坝高103m，收缩比0.667，收缩角18.44°)。

　　台阶式联合消能是利用水流沿坝坡或溢洪道表面的阶梯下泄时所形成的横向漩滚及与主流之间的剪切紊动和动量交换来达到消能的目的。由于坝面水流掺气，在增强消能效果的同时可有效避免阶梯面空蚀空化。台阶本身消能效果并非十分显著，但有益于掺气可减免空蚀。水东、大朝山等均采用台阶式消能。

　　泄洪洞洞内消能有孔板消能、竖井消能和涡旋流消能等多种消能方式。小浪底泄洪洞采用三级板孔消能。孔板消能即洞内水流利用孔板收缩扩散，再收缩再扩散而逐级消能。沙牌泄洪洞采用竖井涡旋流消能，水流进入竖井井口的涡室，形成涡旋进入竖井，井内自由涡旋水流在竖井边壁的摩擦力、水流内部剪力及阻力作用下，消散大量能量，涡旋水流进入水平明流段后，继续漩滚消能，效果显著。

　　坝顶跌流水垫塘消能是将溢流坝坝顶下泄的高速水流挑入下游且要远离坝址，水舌在空中扩散、掺气、碰撞，消散其中一小部分动能，落入下游水垫塘中的高速水流大部分动能在水垫塘内淹没漩滚紊动消能。流溪河、二滩拱坝均采用水垫塘消能。

　　6 结论

　　综上所述，这几种消能工各有各的有点，各有存在各的缺点，有一定的适应范围。近些年在各大水电工程中出现了很多新型的消能方式，但新型的消能方式也是建立在传统底流消能基础上的，并对传统的消能工进行改进优化使之更适应于具体工程。故水电工程中消能防冲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。

　　参考文献(References)：

　　【1】 张健，方杰，范波芹，VOF方法理论与应用综述，水利水电科技进展，2005，25(2)：67-70

　　【2】 李然，李宏，李嘉，气液两相流理论在明渠水气界面计算中的应用，水动力学研究与进展，2002，17(1)：77-83

　　【3】 姚朝辉，叶宏开，王学芳，空泡溃灭水锤的VOF计算方法，原子能科学技术，1995，29(1)：20-26

　　【4】 戴会超，王玲玲，淹没水跃的数值模拟，水科学进展，2004，15(2)：184-188

　　【5】 李艳玲，华国春，张建民，杨永全，胡耀华，单层多股和多层多股水平淹没射流的消能特性分析，水动力学研究与进展，