简述挑流消能在泄水中的应用及种类

李施衡

摘 要 针对挑流消能适用条件，以及各种挑流消能的方式，对各种挑流方式进行综合性分析讨论，并得出不同调流方式在坝体的综合性应用。

关键词 挑流；鼻坎；雾化

引言

在水利过程中，坝体泄水建筑物下泄产生的高速水流具有以动能为主的大量机械能，此巨大水头可能对下游河床产生强烈的冲击。如若不能够正确处理，则无法保证泄洪时候的安全。因此，合理的泄水措施是保障工程安全，发挥坝体综合效益的有利报账。因此不可避免的就要进行消能防冲，本篇文章主要讲挑流消能。挑流消能是指在泄水建筑物末端设挑流鼻坎，使水流向下游挑射，通过射流在空中的扩散、紊动和掺气作用，消除部分能量，然后跌落到離鼻坎较远的河槽中，在冲刷坑和一定的尾水深度所形成的水垫中消能。

1 挑流消能适用条件及挑流的研究意义

挑流消能的主要优点有：鼻坎结构简单，造价低，发生空蚀或者磨损后易于检修。鼻坎位于尾水位以上，不受尾水位变幅的影响。仅水垫深有所差异，只要冲坑远离坝角或泄水建筑物出口仍将安全，对挑流坎上的单宽流量q1适应性最强，其消能效果主要是利用坎上流速，使水舌远离坝角，冲击河床形成冲坑旋滚，消耗大部分能量。而冲坑深度的大小与水舌入水散度关系甚大。挑流消能一般不需要咋下游河床修建保护工程，因而工程最少，节省投资，同时设计施工方便，运行也可靠，因此在国内外得到广泛的应用[1]。

2 挑流的结构组成

挑流消能的基本体型参数只有反弧半径，射出角，此外还有鼻坎高程及坎唇高度。

2.1 鼻坎高程

鼻坎高程愈低，鼻坎出口段面上的水流流速也愈大，水舌挑距也相应增加。但为保证水舌下面有足够的通气空间，使水舌与建筑物之间的空间不至于因水舌带走的空气得不到足够的补充而出现真空，鼻坎不能太低，一般应使鼻坎高出下游水位1到2米。

2.2 反弧半径

反弧段水流的运动研究结果表明，当反弧半径减小到某一临界值时，即临界返弧半径时，返弧段将出现水深度急剧增大，流速系数急剧减小的过程。反弧半径的判定，其中有：

（1）由流速系数极大确定反弧半径

（2）由挑距极大或临界起挑条件确定临界反弧半径

（3）根据压力突增的分界线确定临界反弧半径

2.3 鼻坎挑角

鼻坎挑角的选取应是使挑流水舌的挑距最大，由于从挑坎挑出的水流存在沿程扩散与掺气，挑流鼻坎与下游水位存在高差，相应于挑距最远的挑角小于45度。此外，鼻坎挑角增加，水舌跌入下游河床的入水角也变大，水流对河床的冲刷能力也相应增强，且如果挑角过大，水流挑不出去，会在鼻坎的反弧度上形成漩涡，并跌落在坝角下造成冲刷，鼻坎的适宜挑角一般可取为15度到35度，对重要的工程应该通过试验来确定[2]。

3 挑流消能的种类介绍

3.1 连续坎

连续坎是一种最基本的挑坎形式，是一种连续的实体挑坎。这种挑坎简单，不易发生空蚀现象。其他挑坎都是在连续挑坎上演变而成的。水流雾化较轻，但是水舍集中，消能效果较差，对下游冲刷严重。连续坎适用于尾水较深、基岩较为均一、坚硬且溢流前沿较长的泄水建筑物。

3.2 差动式挑流鼻坎

差动式挑流鼻坎由两种调角的一系列高坎和低坎相间布置所构成，也称为齿槽式鼻坎。水舌分为两个层次，上下各有水流分散。从而加大了与空气的接触面积，更多的消耗了水的动能，但是加大了各股水舌，但是在高速水流作用下较易发生空蚀。为了防止齿的空蚀破坏，一般齿坎要设置通气孔，从而达到减小空蚀破坏的效果。

3.3 扩散式挑流鼻坎

扩散式挑流鼻坎，顾名思义，是一种逐渐扩大的形式，出口较窄，而下游河床相当宽的时候，就采用扩散式挑流鼻坎，从而减小了出坎的单宽流量，从而使水流也充分掺气，达到进一步消耗能量的作用，从而减小对下游河床的局部冲刷。但是和差动式挑流鼻坎一样，空化空蚀现象比较严重。还有一些特殊的鼻坎，斜鼻坎和扭曲鼻坎，不仅可以使水流扩散，以落入下游水垫较深的河床[3]。

3.4 窄缝坎

此坎，由于边墙两侧沿程逐渐变窄，过流的宽度束窄，末端宽度常在原有宽度的二分之一以下。跳出的水流呈窄而高的矩形，挑流水股在空气中获得充分的竖向和纵向扩散，水舌进入下游水垫转为横向很窄的长条形。局部冲沙大为剪轻。能够满足峡谷高岸坡的稳定要求。适用于峡谷区的高坝泄水建筑物[4]。

4 挑流消能的雾化问题

作为应用最广泛的泄洪消能方式，挑流消能虽然具有一系列的优点，但其在取得良好消能效果的同时往往也伴随着严重的雾化现象产生，给工程的正常运行带来了另一方面的不利影响，此时消能和雾化作为一个问题相互制约的两个方面，怎样才能同时照顾，并从中获得最大的综合效益，是有待解决的工程难题。那么雾化现象对工程的危害是可以得到避免的，这些防护措施主要包括：

4.1 采用适宜的枢纽布置方式与泄洪消能形式

选取枢纽布置方式时主要需要注意以下几点：①电站厂房等重要的建筑物应该与抛射水舌及其落点或碰撞点相隔较远的距离，特别要避免把这些建筑物布置在水舌的下风方向。②露天机电设备以及输电线路均需要较好的平面位置与较高的布置高程。必要时还应该设置一定的防雾与抗冻措施。③下游重要的交通干线应尽量避开水雾秘籍区。如实在无法避开，则必须修建隧洞，廊道等防雾措施。④按照雾化降雨强度的标准来设计雾化区的防雨与排水措施。

4.2 合理安排枢纽工程的运行方式

对已经建成的工程，如果雾化现象的危害已经成为妨碍工程正常运行的最主要因素之一时，应选取能够最大程度减轻雾化现象的运行方式，如合理调整各孔口的下泄流量等。同时在运行的过程中，应该加强对原型的观测，尽量摸索出当地雾化现象的一些基本规律，为以后采取更有效的对付措施积累更为充分的原型观察资料。

4.3 在下游两岸岸坡设置防护措施

在实际工程中，除要注意库区岸坡的稳定性外，还要注意下游雾化现象严重区域的两岸岸坡山体的稳定性问题。对雾化现象十分严重的地段既要进行原体观测，也要采取相应的防护措施，如为岸坡以及道路设置排水措施等。

参考文献

[1]晓平，陶桂兰.水利工程[M].北京：人民交通出版社，2009：88.

[2] 钮新强，宋维邦.1963关于高坝挑流消能[M].北京：中国水利水电出版社，2007：211.

[3] 辛彦清.船闸混凝土温度裂缝的经验教训[J].水运工程，2002，（8）： 78-80.

[4] 张国新.我国高速水流消能技术的发展[J].水力学报，2003，（11）：37-42.