泄水建筑物下游水流消能的关键技术

景敏 张莉 殷继艳

摘要：在“全灾种、大应急”的理念背景下，本文主要结合我国水能开发“泄量大、水头高、河谷窄”的特点，以外消能和内消能两条线路，分别归纳总结了常见消能方式中底流式消能、挑流式消能及面流式消能的特点和内消能中孔板式消能、旋转式消能及消力井消能的特点，为消防救援人员夯实相关理论基础及提高防灾减灾救灾能力打下坚实基础。

关键词：泄水建筑物; 消能; 防灾减灾救灾

1   引言

党的十八大以来，习近平总书记多次就防灾减灾工作做出重要指示和部署，强调“同自然灾害抗争是人类生存发展的永恒课题”。面对新时代的新要求，应急管理部提出“全灾种、大应急” 的应急救援新理念，作为新时代的消防人，必须补课赶队，大幅提高防灾减灾救灾能力。

我国是一个水能资源比较丰富的国家。水能资源具有无污染，理论蕴含量高以及技术可开发装机容量居世界之首[1]的特点。基于这些特点，为了满足当前和今后经济社会发展需要，国家势必会修建一大批水利水电工程进行蓄能发电。

然而，结合我国水能开发“泄量大、水头高、河谷窄”的特点[2]，尤其是坝高在200m以上且泄洪比较集中的水利工程，泄洪消能问题显得尤为重要。如果泄洪消能问题不能很好地解决，将有可能导致下游水工建筑物的破坏，严重时可能导致大坝失事[3]，严重阻碍国家经济发展和威胁人民生命安全。

在此基础上，本文归纳总结了泄水建筑物下游水流消能的关键技术。见表 1，国内 200 米以上高坝统计表。

2   常见消能方式[5][6]  

目前而言，消能方式有很多种，比较常见的消能方式有底流式消能，挑流式消能和面流式消能。这三种消能方式统称为外消能。其中，葛洲坝水电站采用的是底流式消能，新安江水电站采用的是挑流式消能，富春江水电站采用的是面流式消能。

2.1  底流式消能

底流式消能，又称水跃式消能，顾名思义，此种消能方式主要是通过发生水跃现象，利用水跃旋滚区中水流的强烈扰动来消能，由于水跃区的主流靠近底部，故被称为底流式消能。与其他两种外消能比较，底流式消能具有消能效率高（水跃的产生能消减水流 45%～60%的能量），适用范围广（溢流坝、水闸、高坝均可适用，对于地基条件也没有太多要求），跃后水位相对稳定，下游冲刷小，雾化比较轻等特点[7] 。因此，此种消能方式被广泛应用。然而，采取什么工程措施发生水跃，并让水跃产生地更加充分完全，一直以来得到了许多专家学者地关注，并对研究成果进行了总结。

目前，比较常见的工程措施是在下游开挖消力池，修建消力墙以及建造综合式消力池，形成稍有淹没的淹没式水跃，从而经济高效地消除水流的能量，确保下游河道的安全。下面逐一介绍这三种工程措施。 

2.1.1  消力池

在实际工程中，一般是在建筑物的下游开挖一个水池，在水池中形成淹没式水跃，从而达到衔接与消能的作用，如图 2所示。该工程措施的优点是：适用范围广泛，修建时地质条件要求低，工程经济性高等。 

2.1.2  消力墻

如图 3 所示，与消力池相比，该工程措施是在建筑物下游修建一道低堰，壅高堰前水位，使其发生淹没式水跃。由于要在下游修建低堰，相比消力池而言，其对地质条件要求比较高。 

2.1.3  综合式消力池

在实际工程中，为了发挥以上两种工程措施的优越性，在修建时可将消力池和消力墙两种形式结合使用，或在消力池中加上趾墩、消力墩、尾坎、T 型墩的辅助消能工程，这种消能形式被称为综合式消力池，如图 4 所示。

2.2  挑流式消能  

2.2.1  基本概念

挑流式消能是通过在下游修建一个挑流鼻坎，在上游水流巨大动能作用下，将水股抛向空中，再跌落到远离建筑物的冲刷坑中，从而实现消能，如图 5 所示。在外力作用下，抛向空中的水股犹如舌头，所以人们形象的称为挑流水舌。挑流水舌在工程措施的作用下，如连续式挑坎、差动式挑坎等，可以实现水流的互相穿射，横向扩散，空中相互碰撞等三维综合消能。

从消能过程来看，挑流式消能主要分为两部分：一是水流被挑起后，水股在空中消除能量; 二是水舌跌落到冲刷坑后，形成水垫，在水垫中形成漩滚进行消能。相比而言，在水垫中形成漩滚消能占整个挑流消能的主要部分。

从挑流消能的形成过程来看，可以分析出挑流消能的形成条件：一是考虑到形成挑流水舌， 那么需要在中高水头的泄水建筑物才能实现，这对上游泄水建筑物的水头提出了要求;二是考虑到水垫消能的形成条件，即能量较高的挑流水舌会冲击下游河岸，从而对下游地质条件要求很高。因此，能否实现挑流消能，主要考察两个方面：一是上游水头，二是下游地质条件。

2.2.2  雾化

当上游水流通过挑流鼻坎后，在水流巨大动力的作用下，将水流抛向空中，从而实现了挑流式消能。当水流抛向空中时，水流与周围空气相互作用，并在风的作用下，空中形成大量的水滴、水雾，从而在下游处形成雾化现象。雾化现象主要有两种表现形式，一是强暴雨，二是烟雾弥漫。

空中消能越充分，下游雾化就会越严重。表 2 对雾化产生的不利影响进行了归纳总结[3][8]。所以，在运用挑流式消能的水利工程中，需要特别重视雾化现象产生的不利影响。

2.3  面流式消能 

面流式消能是通过在泄水建筑物末端修建一个较小挑角的鼻坎，同时下游水位高于坎顶，此时将上游下泄的高速水流通过鼻坎引入到下游水面，形成表面旋滚和底部旋滚，从而实现消能。

如图 6 所示。该消能方式与挑流式消能相比，下游不需要设置防护工程，雾化现象不严重。但， 两者都对下游岸坡的稳定性和交通设施有所影响。通过面流式消能的特点可知，该消能方式适用于下游丰水的河道以及上游水头不高的水利工程。

3   内消能方式

根据我国大型水电站建设中所面临的普遍问题：一是泄洪建筑物布置困难;二是常见消能方式突出弊端;三是工程经济性等。在此基础上，在常见消能工的基础上，提出了内消能的概念。

3.1  基本原理

内消能工的概念是在外消能工的基础上提出的，它更加强调在原有工程的基础上进行局部改造，体现了施工简单、运用灵活、经济适用等优点。常见的工程措施如表 3 所示。通过突缩、突扩、射流、安装发生旋转装置，从而使得水流在泄水建筑物局部发生形态及能量急剧变化，实现消能。目前比较常见的内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础上演变来的，它是依靠水流的突缩和突扩来消除水流的能量，从而水流之间形成很强的剪力、紊动和摩擦，使水流的动能最终以热能的形式消耗减小，实现与下游水流的顺利对接。此种内消能方式适用于中等流量和高水位条件，不易发生空蚀。但是，在高水位工况运行时，必须控制进水口闸门，防止出现不稳定气团[9]孔板式消能有单级孔板消能和多级孔板消能两种。

在我国，小浪底工程开创了孔板式消能的先河。在重复利用导流洞的基础上，该工程采用多级孔板消能方案，在导流洞中设置了突缩、突扩联合运用的工程措施，实现了高效消能。由模型试验得知，水流通过孔板突扩消能，可将 140 米的水头削减为 70%，洞壁最大流速仅为 10m/s 左右。

3.3  旋流式消能

旋流式消能的研究和工程应用在国外开始比较早，20 世纪 50 年代至 60 年代，主要对起旋器进流方式展开了大量的研究。直到 20 世纪 70 年代，前苏联研究团队在前人研究的基础上，并结合工程实际，将旋流消能的理论设计方式转化为实际工程。随后，水平旋流式内消能也在其他国家得到运用，如塔吉克斯坦共和国罗贡水电站及印度特里水电中的泄洪消能建筑物上[10]。

在国内，旋流式消能工的研究始于 90 年代前后。比较典型的案例有四川沙牌水电站、青海拉西瓦水电站和公伯峡水电站。它们都是重复利用导流洞，将其改为旋流式消能泄洪洞，从而实现消能。

旋流式消能适用于高水头，一般由引水道将水引入旋转发生装置，使得水流高速旋转消除能量，再由出水道引出水流，从而完成完整的消能。在实际工程中，可通过改造导流洞、施工隧道来实现旋转式消能。常见的旋流式消能分别是涡旋式消能和反涡旋式消能。两者的共同特点都是使水流发生旋转而进行消能。两者最大的区别是反涡旋式消能的旋转水流是在消能室中产生的。涡旋式消能按旋转水流的部位可分为水平式和垂直式。反向涡旋式消能按旋转水流的连接方式分为同轴旋转式和不同轴旋转式。

3.4  消力井消能

消力井消能，有别于前两种内消能方式，它是通过在泄水建筑物和下游之间开挖一定深度的竖井来实现高速水流的消能。消力井多以深筒式或旋流式竖向进水消力井为主[11] 。上游高速水流进入消力井后，水流成射流状态，从而与工程措施等发生摩擦、碰撞等，在竖井内形成剧烈的涡旋流，达到缓冲水流的作用[12] 。综合考虑消力井的消能特点，消力井只适合用于流量较小的水利工程。

4   結语

本文主要阐述了泄水建筑物消能的必要性和主要方法。其中，主要以外消能和内消能两大方法为线索，分别详细介绍了常见的外消能方法和新型的内消能方法。常见的外消能方法分别有底流式消能，挑流式消能及面流式消能。新型内消能方法分别有旋流式消能，孔板式消能，消力井消能。通过对泄水建筑物衔接消能的归纳总结，确保了下游河岸的安全性和可靠性，降低了水灾害对房屋建筑的损害，保障了人民群众生命财产安全和社会的和谐稳定。

作者简介：

景  敏，（1985-），女，陕西西安人，硕士研究生，讲师，主要从事消防工程的教学及研究。

张  莉，（1978-），女，北京人，副主任医师，中国人民解放军中部战区疾病预防控制中心专业技术 8 级。

殷继艳（通讯作者），（1976-），女，内蒙古西乌旗人，博士，副教授，主要从事森林防灭火研究。

参考文献：

[1]    杨  涛.挑流、底流联合消能研究[D].大连理工大学，2009.

[2]    孙双科.我国高坝泄洪消能研究的最新进展[J].中国水利水电科学研究院学报2009，（02）：249-254.

[3]    李万军，雷霄雯，王协康.高坝泄水雾化机理探讨与防治措施综述[J].水利规划与设计，2014，（03）：42-45.

[4]    李沅昕.旋流内消能工水力特性的试验研究与经验分析[D].西安理工大学，2017.

[5]    吴持恭.水力学[M].北京：高等教育出版社，2003.

[6]    赵振兴，何建京.水力学[M].北京：清华大学出版社，2010.

[7]    张连峰.浅谈水利工程消能工型式[J].知识经济，2011，（24）.

[8]    梁在潮.三峡水利枢纽挑流雾化流问题的研究[J].武汉水利电力大学学报，1994，（06）： 635-642.

[9]    高季章，董兴林，刘继广.生态环境友好的消能技术—内消能的研究与应用[J].水利学报，2008，（10）：1177-1178.

[10]    龙  建.旋流阻塞泄洪洞空腔旋流特性的试验与数值模拟研究[D].西安理工大学，2019.

[11]    焦  萱，邱  勇，阮合春，等.斜向进水消力井淹没射流水力特性机理分析[J].长江科学院院报，2019，（11）：45-49.

[12]    张  鹏.齿墩式内消能工的流场特性研究[D].太原理工大学，2015.