水工消能的研究現(xiàn)狀與進展

情況綜合利用消能工。

文獻標識碼：A

文章編號：2095-980X（2015）03-0131-02

收稿日期：2015-02-20

作者簡介：王艷（1993-），女，重慶人，大學本科，主要研究方向：水利水電工程。

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。底流消能在我國提出并且研究得較早，應用很廣泛，適用于中、高、低各級不同的水頭以及不同的地質(zhì)條件。底流消能是通過水躍，將水流的流態(tài)改變，從急流轉(zhuǎn)變?yōu)榫徚?。也稱之為水躍消能，通過水躍發(fā)生的表面旋滾和強烈紊動來消除余能.在壩址下游設置一定長度的混凝土護坦，過壩水流在護堤坦上發(fā)生水躍，形成旋滾，使水流的能量通過摻氣﹑水分子的相互撞擊﹑摩擦而有一定程度的消耗，以減少或防止下游發(fā)生嚴重沖刷。底流消能具有安全可靠、流態(tài)穩(wěn)定、效能率高、下游沖刷較小、霧化問題較輕避免形成降雨等優(yōu)點。符合社會對水土保護與環(huán)境保護的要求。佛氏數(shù)太低會使消力池內(nèi)水流消能不充分，目前可通過三種措施提高佛氏數(shù)，增強消力池效果：第一種是降低單寬流量，擴寬消力池或者是設置二、三級消力池；第二種是在消力池或護坦上加設各種輔助消能工或改良消力池的形態(tài)。傳統(tǒng)的輔助消能工有趾墩、消力墩、尾墩、尾坎等、均能很好的改善消能效果。一些新型的輔助消能工有T型墩、寬尾墩等。一般來說，輔助消能工，輔助消能工的作用主要是增加水流內(nèi)部流速梯度，改變水躍型態(tài)，使消力池中水流出現(xiàn)旋滾而產(chǎn)生強迫水躍，從而達到提高消能、縮短消力池長度的目的。第三種是增加消浪措施，使躍后水流達到相對平靜。

（2）挑流消能。挑流消能是一種經(jīng)濟且方便的，水力計算也較簡單的消能方式，一般適用于尾水較低，巖基條件

較好的工程。近幾年也有對軟基挑流消能進行的討論分析，在模型試驗中取得較好的研究成果。挑流消能是利用泄水建筑物出口部分的挑流鼻坎，將下泄的急流拋向空中，然后落入離建筑物較遠的河床與下游水流相銜接的消能方式。能耗大體分三部分：急流沿固體邊界的摩擦消能；射流在空中與空氣摩擦、摻氣、擴散消能；射流落入下游尾水中淹沒紊動擴散消能。挑流消能通過鼻坎可在挑流范圍內(nèi)有效地控制射流落入下游河床的位置、范圍及流量分布，對尾水變幅適應性強，結(jié)構簡單，施工、維修方便。但其下游沖刷較嚴重，堆積物較多，尾水波動與霧化都較大。挑流消能應用較廣，適于中、高水頭，大、中、小流量的各類建筑物。

（3）面流消能。面流消能分戽斗面流消能和跌坎面流消能兩類。面流消能造價遠低于底流消能，適用于中、低水頭，下游尾水較深，水位變幅不大及河岸穩(wěn)定、抗沖能力強的情況。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；但水面波動較大且向下游延伸較遠，對岸坡穩(wěn)定、電站運行和下游航運條件均有不利影響。面流流態(tài)復雜多變，對下游尾水條件要求高，保證能得到純面流的水深范圍較小。面流流態(tài)與鼻坎布置形式、水頭、單寬流量、下游水深及沖淤河床形態(tài)等因素有關。若鼻坎形式、水頭、泄量已定，隨下游水深由小到大，面流將依次出現(xiàn)自由面流、自由混合面流、淹沒混合面流、淹沒面流等流態(tài)。就河床沖刷而言，淹沒面流及自由面流較輕，自由混合面流及淹沒混合面流嚴重些。當有漂木、排冰等要求時，流態(tài)應控制在自由面流;否則，流態(tài)視河床抗沖能力可適當放寬。實用流態(tài)通常以應用自由面流及自由混合面流居多，淹沒混合面流或淹沒面流有時也可應用。目前面流流態(tài)的水力計算已有很多經(jīng)驗公式，但還不夠成熟，一般都要通過水力模型試驗驗證，以選定合適的設計方案。

2　水工建筑物水工消能的研究現(xiàn)狀

（1）T型墩。印度設計的巴凡尼壩是最早應用T型墩的工程，津河水庫、三江口溢流壩、拴驢泉壩等都運用了這種消能工。T型墩是由垂直于水流的前墩，連接前墩與尾坎的支腿及尾坎等部分組成。T型墩作為一種新型的輔助消能設施，其主要消能過程是:在墩前產(chǎn)生強迫水躍形成高度撞擊的消力池，通過水躍消除大部分能量，其次，墩的局部阻力使墩的周圍水體的剪切摩擦碰撞也消除了一部分能量，所以它的消能效果優(yōu)于傳統(tǒng)的消能方式。T型墩消力池的池長，與平底消力池相比可縮短池長，適應尾水變幅較大，并利用了適用于躍后水深較低的特點，使其消能效率明顯提高。由于T形墩的存在，使水流坎前池內(nèi)強迫水躍旋滾、坎后下部旋滾、坎后二次收縮后旋滾及坎上涌浪?！叭凉L一浪”是T型墩消力池的典型流態(tài)。

（2）寬尾墩。寬尾墩是我國首創(chuàng)的一種新型消能工，已成功地應用于安康、五強溪、巖灘隔河巖等許多大型水利水電工程中，取得了顯著的技術效果和經(jīng)濟效益。安康水電站采用的是“Y型寬尾墩—消力池”聯(lián)合消能工，經(jīng)研究，這種方式適用于低水頭、大流量、低佛氏數(shù)、深尾水以及下游水位落差變幅大的工程。寬尾墩主要是利用寬尾墩形成堰頂收縮射流，在消力池中形成劇烈摻氣的三元水躍，大幅度地提高了消能率，可使消力池的長度減小1~3以上。寬尾墩消能的運用。寬尾墩通常是結(jié)合其他消能方式應用水工消能中，有上述的“寬尾墩—消力池”聯(lián)合消能工，應用于巖灘水電站的“寬尾墩—戽式消力池”。五強溪水利樞紐的“寬尾墩—底孔（挑流）—消力池”聯(lián)合消能方式，此方式屬中國首創(chuàng)。1984年建成的潘家口水電站，曾榮獲國家優(yōu)秀工程設計金獎，它采用的是“寬尾墩—挑流”。此外還有寬尾墩—階梯式溢流壩、寬尾墩—岸邊溢洪道等。在Y型寬尾墩基礎上進行改進，又發(fā)展出新的X型寬尾墩。在相同的堰上水頭情況下，X型寬尾墩的綜合流量系數(shù)要大于Y型寬尾墩，小于平尾墩。其原因在于過堰水流在平尾墩情況下，順暢下泄，而在寬尾墩情況下，受兩邊邊墻的縮窄約束，水位壅高，導致下泄不暢。X型寬尾墩方案，部分水流順暢沿壩面下泄，其余則受寬尾墩約束，因而其綜合流量系數(shù)就介于Y型寬尾墩和平尾墩之間。經(jīng)試驗驗證，X型寬尾墩方案的泄流能力也滿足設計要求。平尾墩對溢流面的水流約束少，消能效果甚微，并且水流挑距遠；而寬尾墩消能效果好，沖坑淺，但挑距太近。異型寬尾墩就以上兩種消能方式的基礎上，結(jié)合兩者優(yōu)點，能達到較好的消能效果，并且避免過近的挑距，能較好地解決消能防沖等問題。

（3）臺階式消能。①臺階式消能的原理。臺階消能在小流量的情況下，水流從一個臺階落入到下一個臺階，重復跌落，通過和臺階水面的撞擊和水流紊動來消除能量。該流態(tài)的臺階面是消能效果最好的，效能率最高的。當在大流量的情況下，主要是水流在臺階之間發(fā)生水平軸旋轉(zhuǎn)，與陡槽主流發(fā)生強烈混摻作用，使水流劇烈紊動，并大量摻氣，從而達到消能效果。②臺階式消能的優(yōu)缺點。對于光滑面溢流道，水流在溢流面上流過時，消耗的能量甚少，絕大部分的能量還是會被輸送到下游的消力池或者是水墊塘內(nèi)，輸出池后的余能還是很大。這樣的情況下仍需要對下游河岸進行保護措施，增大了工程量且投資較大。而臺階式溢洪道通過流動過程中的摻氣、劇烈紊動來降低溢洪道末端的流速。對常遇洪水，臺階消能率一般可達總消能率的70%以上，可有效地減小下游消力池（或消力塘）的規(guī)模，降低工程投資，并可解決消力池的布置與地形、地質(zhì)條件之間的矛盾。臺階式不能應用于大型水庫工程，當下泄水流的單寬流量達到一定值時，在泄水槽內(nèi)的臺階上可能會發(fā)生空蝕。并且水流流速會隨著沿程增加，流速越大，空蝕破壞越為顯著。發(fā)生空蝕破壞總是從陡槽末端開始向上游逐漸發(fā)展，這也是其不能應用于大型水庫工程的主要原因。

（4）多孔出流。①空中碰撞消能。深孔上翹、表孔下跌，

使水舌在空中碰撞消能，這種消能方式能夠解決高壩、大流量、窄河谷的工程。射流碰撞的主要作用在于分散水流。其機理是表孔和中孔水舌在空中碰撞，碰撞時在空中消耗部分能量，碰撞后水舌分散射入水墊塘，從而使沖擊壓力大為減少，改善下泄水流進入水墊塘時的入流條件。除此之外，也有大差動消能工，就是在不同位置布置不同數(shù)量的表、中、底泄流孔，使其在空間上形成三維擴散的水舌，加強它的碰撞消能效果。但是其缺點是形成較大的霧化區(qū)從而易形成降雨。②分層非碰撞消能考慮到碰撞消能所產(chǎn)生的霧化問題，進一步發(fā)展出深孔上翹、表孔下跌（或上翹）分層、橫向交錯非碰撞入水消能型式。將表、深孔在橫向交錯布置，在立面分層泄流，使深孔水舌穿過表孔水舌之間的空隙處射出，形成交錯入水非碰撞格局。該種型式既可以消除水舌碰撞產(chǎn)生的霧化問題，還可以有效收縮水墊塘的長度。

（5）篩梁式消能。篩網(wǎng)式消能使用于黑龍江省氣溫低、冬季建筑物凍脹嚴重的工程。但此種消能形式施工復雜，容易被漂浮物堵塞篩孔，從而影響消能效果。因此發(fā)展出篩梁式的消能型式。即在底板后部設垂直水流方向的橫梁，梁間間距由密到疏。既起到分散水流的作用，又克服了施工難度及漂浮物堵塞的不利因素。此種方法在黑龍江省綏化等地區(qū)應用效果較好。

（6）多股水層淹沒射流。地多股水層（下轉(zhuǎn)第134頁）