景敏 張莉 殷繼艷

摘要：在“全災(zāi)種、大應(yīng)急”的理念背景下，本文主要結(jié)合我國(guó)水能開(kāi)發(fā)“泄量大、水頭高、河谷窄”的特點(diǎn)，以外消能和內(nèi)消能兩條線路，分別歸納總結(jié)了常見(jiàn)消能方式中底流式消能、挑流式消能及面流式消能的特點(diǎn)和內(nèi)消能中孔板式消能、旋轉(zhuǎn)式消能及消力井消能的特點(diǎn)，為消防救援人員夯實(shí)相關(guān)理論基礎(chǔ)及提高防災(zāi)減災(zāi)救災(zāi)能力打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：泄水建筑物; 消能; 防災(zāi)減災(zāi)救災(zāi)

1 ? 引言

黨的十八大以來(lái)，習(xí)近平總書(shū)記多次就防災(zāi)減災(zāi)工作做出重要指示和部署，強(qiáng)調(diào)“同自然災(zāi)害抗?fàn)幨侨祟?lèi)生存發(fā)展的永恒課題”。面對(duì)新時(shí)代的新要求，應(yīng)急管理部提出“全災(zāi)種、大應(yīng)急” 的應(yīng)急救援新理念，作為新時(shí)代的消防人，必須補(bǔ)課趕隊(duì)，大幅提高防災(zāi)減災(zāi)救災(zāi)能力。

我國(guó)是一個(gè)水能資源比較豐富的國(guó)家。水能資源具有無(wú)污染，理論蘊(yùn)含量高以及技術(shù)可開(kāi)發(fā)裝機(jī)容量居世界之首[1]的特點(diǎn)?；谶@些特點(diǎn)，為了滿(mǎn)足當(dāng)前和今后經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需要，國(guó)家勢(shì)必會(huì)修建一大批水利水電工程進(jìn)行蓄能發(fā)電。

然而，結(jié)合我國(guó)水能開(kāi)發(fā)“泄量大、水頭高、河谷窄”的特點(diǎn)[2]，尤其是壩高在200m以上且泄洪比較集中的水利工程，泄洪消能問(wèn)題顯得尤為重要。如果泄洪消能問(wèn)題不能很好地解決，將有可能導(dǎo)致下游水工建筑物的破壞，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致大壩失事[3]，嚴(yán)重阻礙國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展和威脅人民生命安全。

在此基礎(chǔ)上，本文歸納總結(jié)了泄水建筑物下游水流消能的關(guān)鍵技術(shù)。見(jiàn)表 1，國(guó)內(nèi) 200 米以上高壩統(tǒng)計(jì)表。

2 ? 常見(jiàn)消能方式[5][6] ?

目前而言，消能方式有很多種，比較常見(jiàn)的消能方式有底流式消能，挑流式消能和面流式消能。這三種消能方式統(tǒng)稱(chēng)為外消能。其中，葛洲壩水電站采用的是底流式消能，新安江水電站采用的是挑流式消能，富春江水電站采用的是面流式消能。

2.1 ?底流式消能

底流式消能，又稱(chēng)水躍式消能，顧名思義，此種消能方式主要是通過(guò)發(fā)生水躍現(xiàn)象，利用水躍旋滾區(qū)中水流的強(qiáng)烈擾動(dòng)來(lái)消能，由于水躍區(qū)的主流靠近底部，故被稱(chēng)為底流式消能。與其他兩種外消能比較，底流式消能具有消能效率高（水躍的產(chǎn)生能消減水流 45%～60%的能量），適用范圍廣（溢流壩、水閘、高壩均可適用，對(duì)于地基條件也沒(méi)有太多要求），躍后水位相對(duì)穩(wěn)定，下游沖刷小，霧化比較輕等特點(diǎn)[7] 。因此，此種消能方式被廣泛應(yīng)用。然而，采取什么工程措施發(fā)生水躍，并讓水躍產(chǎn)生地更加充分完全，一直以來(lái)得到了許多專(zhuān)家學(xué)者地關(guān)注，并對(duì)研究成果進(jìn)行了總結(jié)。

目前，比較常見(jiàn)的工程措施是在下游開(kāi)挖消力池，修建消力墻以及建造綜合式消力池，形成稍有淹沒(méi)的淹沒(méi)式水躍，從而經(jīng)濟(jì)高效地消除水流的能量，確保下游河道的安全。下面逐一介紹這三種工程措施。?

2.1.1 ?消力池

在實(shí)際工程中，一般是在建筑物的下游開(kāi)挖一個(gè)水池，在水池中形成淹沒(méi)式水躍，從而達(dá)到銜接與消能的作用，如圖 2所示。該工程措施的優(yōu)點(diǎn)是：適用范圍廣泛，修建時(shí)地質(zhì)條件要求低，工程經(jīng)濟(jì)性高等。?

2.1.2 ?消力墻

如圖 3 所示，與消力池相比，該工程措施是在建筑物下游修建一道低堰，壅高堰前水位，使其發(fā)生淹沒(méi)式水躍。由于要在下游修建低堰，相比消力池而言，其對(duì)地質(zhì)條件要求比較高。?

2.1.3 ?綜合式消力池

在實(shí)際工程中，為了發(fā)揮以上兩種工程措施的優(yōu)越性，在修建時(shí)可將消力池和消力墻兩種形式結(jié)合使用，或在消力池中加上趾墩、消力墩、尾坎、T 型墩的輔助消能工程，這種消能形式被稱(chēng)為綜合式消力池，如圖 4 所示。

2.2 ?挑流式消能 ?

2.2.1 ?基本概念

挑流式消能是通過(guò)在下游修建一個(gè)挑流鼻坎，在上游水流巨大動(dòng)能作用下，將水股拋向空中，再跌落到遠(yuǎn)離建筑物的沖刷坑中，從而實(shí)現(xiàn)消能，如圖 5 所示。在外力作用下，拋向空中的水股猶如舌頭，所以人們形象的稱(chēng)為挑流水舌。挑流水舌在工程措施的作用下，如連續(xù)式挑坎、差動(dòng)式挑坎等，可以實(shí)現(xiàn)水流的互相穿射，橫向擴(kuò)散，空中相互碰撞等三維綜合消能。

從消能過(guò)程來(lái)看，挑流式消能主要分為兩部分：一是水流被挑起后，水股在空中消除能量; 二是水舌跌落到?jīng)_刷坑后，形成水墊，在水墊中形成漩滾進(jìn)行消能。相比而言，在水墊中形成漩滾消能占整個(gè)挑流消能的主要部分。

從挑流消能的形成過(guò)程來(lái)看，可以分析出挑流消能的形成條件：一是考慮到形成挑流水舌， 那么需要在中高水頭的泄水建筑物才能實(shí)現(xiàn)，這對(duì)上游泄水建筑物的水頭提出了要求;二是考慮到水墊消能的形成條件，即能量較高的挑流水舌會(huì)沖擊下游河岸，從而對(duì)下游地質(zhì)條件要求很高。因此，能否實(shí)現(xiàn)挑流消能，主要考察兩個(gè)方面：一是上游水頭，二是下游地質(zhì)條件。

2.2.2 ?霧化

當(dāng)上游水流通過(guò)挑流鼻坎后，在水流巨大動(dòng)力的作用下，將水流拋向空中，從而實(shí)現(xiàn)了挑流式消能。當(dāng)水流拋向空中時(shí)，水流與周?chē)諝庀嗷プ饔茫⒃陲L(fēng)的作用下，空中形成大量的水滴、水霧，從而在下游處形成霧化現(xiàn)象。霧化現(xiàn)象主要有兩種表現(xiàn)形式，一是強(qiáng)暴雨，二是煙霧彌漫。

空中消能越充分，下游霧化就會(huì)越嚴(yán)重。表 2 對(duì)霧化產(chǎn)生的不利影響進(jìn)行了歸納總結(jié)[3][8]。所以，在運(yùn)用挑流式消能的水利工程中，需要特別重視霧化現(xiàn)象產(chǎn)生的不利影響。

2.3 ?面流式消能?

面流式消能是通過(guò)在泄水建筑物末端修建一個(gè)較小挑角的鼻坎，同時(shí)下游水位高于坎頂，此時(shí)將上游下泄的高速水流通過(guò)鼻坎引入到下游水面，形成表面旋滾和底部旋滾，從而實(shí)現(xiàn)消能。

如圖 6 所示。該消能方式與挑流式消能相比，下游不需要設(shè)置防護(hù)工程，霧化現(xiàn)象不嚴(yán)重。但， 兩者都對(duì)下游岸坡的穩(wěn)定性和交通設(shè)施有所影響。通過(guò)面流式消能的特點(diǎn)可知，該消能方式適用于下游豐水的河道以及上游水頭不高的水利工程。

3 ? 內(nèi)消能方式

根據(jù)我國(guó)大型水電站建設(shè)中所面臨的普遍問(wèn)題：一是泄洪建筑物布置困難;二是常見(jiàn)消能方式突出弊端;三是工程經(jīng)濟(jì)性等。在此基礎(chǔ)上，在常見(jiàn)消能工的基礎(chǔ)上，提出了內(nèi)消能的概念。

3.1 ?基本原理

內(nèi)消能工的概念是在外消能工的基礎(chǔ)上提出的，它更加強(qiáng)調(diào)在原有工程的基礎(chǔ)上進(jìn)行局部改造，體現(xiàn)了施工簡(jiǎn)單、運(yùn)用靈活、經(jīng)濟(jì)適用等優(yōu)點(diǎn)。常見(jiàn)的工程措施如表 3 所示。通過(guò)突縮、突擴(kuò)、射流、安裝發(fā)生旋轉(zhuǎn)裝置，從而使得水流在泄水建筑物局部發(fā)生形態(tài)及能量急劇變化，實(shí)現(xiàn)消能。目前比較常見(jiàn)的內(nèi)消能形式有孔板消能、旋流式消能等。

3.2 ?孔板式消能?

孔板式消能是在洞塞式消能的基礎(chǔ)上演變來(lái)的，它是依靠水流的突縮和突擴(kuò)來(lái)消除水流的能量，從而水流之間形成很強(qiáng)的剪力、紊動(dòng)和摩擦，使水流的動(dòng)能最終以熱能的形式消耗減小，實(shí)現(xiàn)與下游水流的順利對(duì)接。此種內(nèi)消能方式適用于中等流量和高水位條件，不易發(fā)生空蝕。但是，在高水位工況運(yùn)行時(shí)，必須控制進(jìn)水口閘門(mén)，防止出現(xiàn)不穩(wěn)定氣團(tuán)[9]孔板式消能有單級(jí)孔板消能和多級(jí)孔板消能兩種。

在我國(guó)，小浪底工程開(kāi)創(chuàng)了孔板式消能的先河。在重復(fù)利用導(dǎo)流洞的基礎(chǔ)上，該工程采用多級(jí)孔板消能方案，在導(dǎo)流洞中設(shè)置了突縮、突擴(kuò)聯(lián)合運(yùn)用的工程措施，實(shí)現(xiàn)了高效消能。由模型試驗(yàn)得知，水流通過(guò)孔板突擴(kuò)消能，可將 140 米的水頭削減為 70%，洞壁最大流速僅為 10m/s 左右。

3.3 ?旋流式消能

旋流式消能的研究和工程應(yīng)用在國(guó)外開(kāi)始比較早，20 世紀(jì) 50 年代至 60 年代，主要對(duì)起旋器進(jìn)流方式展開(kāi)了大量的研究。直到 20 世紀(jì) 70 年代，前蘇聯(lián)研究團(tuán)隊(duì)在前人研究的基礎(chǔ)上，并結(jié)合工程實(shí)際，將旋流消能的理論設(shè)計(jì)方式轉(zhuǎn)化為實(shí)際工程。隨后，水平旋流式內(nèi)消能也在其他國(guó)家得到運(yùn)用，如塔吉克斯坦共和國(guó)羅貢水電站及印度特里水電中的泄洪消能建筑物上[10]。

在國(guó)內(nèi)，旋流式消能工的研究始于 90 年代前后。比較典型的案例有四川沙牌水電站、青海拉西瓦水電站和公伯峽水電站。它們都是重復(fù)利用導(dǎo)流洞，將其改為旋流式消能泄洪洞，從而實(shí)現(xiàn)消能。

旋流式消能適用于高水頭，一般由引水道將水引入旋轉(zhuǎn)發(fā)生裝置，使得水流高速旋轉(zhuǎn)消除能量，再由出水道引出水流，從而完成完整的消能。在實(shí)際工程中，可通過(guò)改造導(dǎo)流洞、施工隧道來(lái)實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)式消能。常見(jiàn)的旋流式消能分別是渦旋式消能和反渦旋式消能。兩者的共同特點(diǎn)都是使水流發(fā)生旋轉(zhuǎn)而進(jìn)行消能。兩者最大的區(qū)別是反渦旋式消能的旋轉(zhuǎn)水流是在消能室中產(chǎn)生的。渦旋式消能按旋轉(zhuǎn)水流的部位可分為水平式和垂直式。反向渦旋式消能按旋轉(zhuǎn)水流的連接方式分為同軸旋轉(zhuǎn)式和不同軸旋轉(zhuǎn)式。

3.4 ?消力井消能

消力井消能，有別于前兩種內(nèi)消能方式，它是通過(guò)在泄水建筑物和下游之間開(kāi)挖一定深度的豎井來(lái)實(shí)現(xiàn)高速水流的消能。消力井多以深筒式或旋流式豎向進(jìn)水消力井為主[11] 。上游高速水流進(jìn)入消力井后，水流成射流狀態(tài)，從而與工程措施等發(fā)生摩擦、碰撞等，在豎井內(nèi)形成劇烈的渦旋流，達(dá)到緩沖水流的作用[12] 。綜合考慮消力井的消能特點(diǎn)，消力井只適合用于流量較小的水利工程。

4 ? 結(jié)語(yǔ)

本文主要闡述了泄水建筑物消能的必要性和主要方法。其中，主要以外消能和內(nèi)消能兩大方法為線索，分別詳細(xì)介紹了常見(jiàn)的外消能方法和新型的內(nèi)消能方法。常見(jiàn)的外消能方法分別有底流式消能，挑流式消能及面流式消能。新型內(nèi)消能方法分別有旋流式消能，孔板式消能，消力井消能。通過(guò)對(duì)泄水建筑物銜接消能的歸納總結(jié)，確保了下游河岸的安全性和可靠性，降低了水災(zāi)害對(duì)房屋建筑的損害，保障了人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全和社會(huì)的和諧穩(wěn)定。

作者簡(jiǎn)介：

景 ?敏，（1985-），女，陜西西安人，碩士研究生，講師，主要從事消防工程的教學(xué)及研究。

張 ?莉，（1978-），女，北京人，副主任醫(yī)師，中國(guó)人民解放軍中部戰(zhàn)區(qū)疾病預(yù)防控制中心專(zhuān)業(yè)技術(shù) 8 級(jí)。

殷繼艷（通訊作者），（1976-），女，內(nèi)蒙古西烏旗人，博士，副教授，主要從事森林防滅火研究。

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