第一节　消能扩散措施及其类型

§1.Measures and types of energy dissipation and diffusion

实现消能扩散的主要途径是利用水与固体、水与气体、水与水体自身之间的碰撞掺混和摩擦剪应力的作用，即通过摩阻、冲击、旋滚、挑流、扩散和掺气等方式把急流或主流尽快转变为扩散均匀的缓流，同时把过剩的动能转换为热能而消失。因此“消能”的涵义不仅是总能量的消失，而应更全面地理解为泄流能量的调整转换和消失。

消能扩散的类型，从水力学观点按流态划分，有底流水跃消能、面流消能、挑流消能等。这些内容已在第一章中概括论述，现在结合建筑物类型和具体消能扩散的工程措施概括介绍如下[1]。

平原水闸的下游尾水位高、变差大，闸孔出流从自由流到淹没流，从急流到缓流都会发生，因而经常采用消力池或斜坡护坦使产生水跃旋滚消能以适应之。但水头差较小，流速不大，不致产生空蚀破坏，故又经常采用消力槛、墩、齿、梁等的冲击消能方式促使水流迅速扩散。在出流平台上加设小槛或在间隔开放闸孔出流平台处设置分水槛，都有使出流转向和扩散的消能作用。至于减低渗流扬压力的滤层排水孔也应置于小槛的下游。同时，由于闸下河道展宽且属土质河床，则应采用适宜扩张的翼墙或边墙来引导主流扩散消能。紧接固定护坦下游的一段河床，也常用抛石海漫防冲，并具有摩阻消能扩散的效果。现将不同类型水闸及其常用的消能工措施示于图2-1。有时为了避免消力池挖得太深或限于地势以及补救工程，则可采用二级消力池的消能措施。

溢流坝或溢洪道（闸），由于水头差大，下泄水流速度高，以及岩基抗冲性强，其消能型式除水跃消力池外，则多用尾水面以上的鼻坎挑流或滑雪式溢洪道以及淹没尾水面下的戽流和跌坎面流。对于拱坝顶自由跌流，则常采用消力池和逼高尾水位的下游副坝。这些消能型式如图2-2所示。图2-2（a）的滑雪式溢洪道，把射流挑向远处，使冲刷坑不致影响建筑物的安全；挑流鼻坎有连续式和差动式，高低不同的差动式鼻坎更可使挑流水股分散掺气，提高消能效率。峡谷的边岸滑雪式溢洪道，若能设计成不同角度的两股挑流，使其互相对冲掺气，消能效果更好，根据两股挑流成135°钝角对冲的试验，消能高达86%。但汇冲点要低，并应注意两股水流相互作用的稳定性。图2-2（b）的消力戽为使急流在戽内形成淹没旋滚消能，然后以面流式出戽。同样，图2-2（c）的跌坎也是使主流形成面流式再进入下游河道。图2-2（d）的拱坝顶自由跌流，由于水股潜入深水，消能有限，只有20%左右，故应使潜入水中的水股沿池底转向形成旋滚以提高消能效果。

图2-1　平原水闸消能扩散措施典型实例

高坝溢洪道的流速大且流程长，故沿程射流与混凝土表面的摩擦和掺气的能量损失也应考虑，一般溢流坝面损失水头约为，相当于流速系数φ=0.95。对于很长的流程，沿混凝土面的能量损失能达30%。若能人工加糙坝面，当可提高消能效果。因此有建造台阶式坝面（Stillwater坝，1987）和多级台阶跌水的陡槽溢洪道（Tehri坝，1984）的，这样可以沿程充分掺气，消除空蚀危害，并可缩短消能段距离。Houston等人研究台阶坝面的消能率在60%～85%之间，小单宽流量时，消能可达70%～97%。我国早在20世纪30年代就在陕西渭惠渠末端退水入渭河滩的高落差情况下，建造了这种台阶式跌水，运用情况良好。

以上消能措施的选用和优化设计，大多情况必须进行模型试验研究加以确定。

图2-2　溢流坝或溢洪道消能措施类型