水利工程建筑物消能设计

摘 要：水工建筑物的消能设计是水利工程建设的关键，它决定了水工建筑的安全性和稳定性，甚至决定了整个水利工程的安全运行。文章对水工建筑的消能设计进行深入研究。

关键词：水工建筑；消能；设计

1、前言

近几十年来，国内水利水电建设迅速发展，水电枢纽工程的规模越来越大。下游的消能防冲建筑物是影响水电枢纽工程安全运行的重要部位之一。消能防冲建筑物的设计原则：尽量使下泄水流的大部分能量消耗在水流内部的紊动中，以及水流与空气之间摩擦上，不产生危及坝体安全的河床和岸坡的局部冲刷；下泄水流平稳，不影响枢纽中其他建筑物的正常运行；结构简单，工作可靠，工程量小；满足通航、过木、过鱼、排冰等要求。传统消能方式有：挑流消能、底流消能、面流消能。目前，在高水头、大单宽流量工程中，挑流消能方式应用较广。在中、低水头的工程中，底流消能形式运用较广。面流消能方式应用相对较少。在目前人们对高坝挑流消能引起的泄洪雾化等环境问题日益重视的现状下，底流消能方式具有独特的优势。底流消能具有入池流态稳定、消能效率高、对地质条件和尾水位变化适应性较强、泄洪雾化影响小等优点。

2、常用的消能方式

常用消能方式有三种底流式、面流式及挑流式消能。挑流式、面流式消能多用于溢流坝下游消能，而一般渠系建筑物普遍以底流式消能为主。底流式消能是利用水跃来消能，其主要工程措施是护坦及海漫、防冲槽。此型式比较安全可靠，尾水比较平稳，下游冲刷较轻，且结构简单，施工方便。因此在中小型工程中普遍得到应用。底流消能的主要设施是一定长度与宽度的硅或钢筋混凝土的护坦。它一方面工程量较大，相应的工程造价高另一方面在东北、西北有冻胀的地区，较大面积的护坦也易出现冻胀破坏的问题。在南方虽然无冻胀，但在软土地基上修建时，地基处理投资较大。

3、新型消能设计介绍

3.1筛网式消能。筛网式消能是根据水力学中，过水断面突然缩小或扩大可消除水流的大部分能量，即水流能量以因断面突然缩小或扩大后产生局部损失而消能的理论为基础。在水闸底板的后部、消力池顶部设一碱筛网，即将碱板做成网格式，使水流通过网孔下落到消力他中。网格起到分散水流改变过水断面达到消能的目的。下部消力池采用短深式，即长度与网板相同，深度加深，使过网水流跌落到池中，产生漩滚以便进一步消能。

3.2筛梁式消能。由于筛网式消能施工较复杂，运行中又容易被漂浮物堵塞筛孔，影响消能效果。即在底板后部设垂直水流方向的横梁，梁间间距由密到疏。既起到分散水流的作用，又克服了施工难度及漂浮物堵塞的不利因素。

3.3防冲板消能。防冲板消能是根据山区河道坡降大、冲刷严重致使消力池产生堵塞破坏而建造的一种面流消能的型式。一方面在闸底板后设置一段护担，其长度比底流消能护坦短。护坦末端设置深齿墙防冲墙，齿墙底部在冲刷高程以下0. 5-1. 0m。另一方面，在护坦后一定间隔外设置防冲板，当速度很高的水流通过防冲板表面时，在其首部与护坦之间的空隙处形成低压区，产生向上的吸力，因而在防冲板下面形成漩滚，把下游冲坑内的砂石推移到防冲墙前，并淤积在防冲板下面，对防冲墙起保护作用。另外防冲板下游微向上倾，把水流挑起，使冲刷坑离防冲墙远一些，也有利于水闸安全。

3.4自由跌水式消能。自由跌水式消能作用是由射流在水垫内扩散来进行的，由于自由下落的水舌冲击床面流向下游时，冲击点处水舌向上下游分流，故在水舌着水点的上游形成天然水垫，水垫水深在水流方向的静水压力相当于沿着自由下落水舌形式的水道，水于水垫引起的水舌扩散，使流向下游的水流的流速比沿水舌形式水道的流速要低很多，从而起到消能作用。自由跌水式消力池一般不加消能工，但下落水舌过分集中而池后又不衬砌时，可适当加辅助消能工。

3.5格栅筛网式消能工。格栅筛网消能工原理是：水流通过格栅空隙呈簿膜状漏入消能池中，使水流大改垂直流态降落。由于改变了水流方向流态，相互撞击，分散良好，掺气充分，增大了边界摩擦力，因此消能效果显著，特别是消除了因低佛劳德数水流而产生的水面波动，使出池后水面平稳，下游渠道冲刷度轻微。采用这种消能工是有效的，而当Froude数小于3时应用这种消能工特别适宜。

4、水工建筑物中组合式消能结构

4.1筛网（或筛梁）消能与井消能结合。带跌差的闸（或跌水）在竖井上布置消力梁（或消力网）与井消能组成分层组合式消能，实际运用是水流在井口改变方向下落直射到消力粱（或消力网）上，水流经消力梁撞击作用消耗一部分能量，同时大量掺气，然后细小水注落到消力井后，互相撞击再次消能，经梁，井双层重复消能，效果稳定可靠。

4.2消力齿，消力栅和底流消能相结合

节制闸是将传统开敞闸变成封闭闸，或是把般的封闭式闸洞外一单一设的开敞消力池段取消，把洞稍加改造，变成既能输水，消能又是闸身，同时一在洞消力池内加消力齿，消力栅，并与底流消能相配合组成多层次消能，虽然消能容积小，但经多层重复消能，其效率高。

5、水工建筑物消能设计的建议

5.1设计施工中防冲槽的改进。大多数水工建筑物消能工防冲槽设计施工中多为“梯形”，这种防冲槽施工简单，在水流平稳的情况下，不会出现水流问题，但在水流不稳的情况下，消能工下游护坦将有可能被冲坏，形成大的浪窝或浪坎，并逐渐上移至防冲槽下，危及防冲槽。笔者经多年实践将原来的“梯形”防冲槽改为“四边形”防冲槽，并进行加深处理（加深50cm即可），通过实际运行效果明显好于前者。

5.2出现冲刷坑的维护方法。一旦出现危及建筑物的冲刷坑，应及时进行维护。在无水（水少）情况下，可采用打排桩砌土袋法。桩木直径为20cm左右，长度可视情况而定，桩深应在土下0.5m以下，桩距在0.8-1.0m左右，排距视情况而定。土袋装成七分满、封口，在堆砌土袋时，最外侧土袋口应向内，并紧紧夹持木桩，形成土袋与木桩相互牵制。以防土袋过高时侧向压力过大动摇木桩。土袋应逐层铺置，靠拢压实，上下层袋缝错开，并逐渐收缩，上边用大块石压好或铁丝网住，以防水流冲走土袋。在正常用水情况下，可采用抛石的方法进行临时护砌。如果水流过大，则采用抛铁丝石笼的办法，石笼直径在1m以内，长度2m左右，并连成一体。如果冲刷坑危及岸坡并已有坍塌，一时又无法维修，则可用土工织物（无纺布、苫布等）裹住松动岸坡，用抛石法压住可阻止坍塌。

6、结束语

水闸、溢流坝及跌水等水工建筑物过水时，水流往往具有较大的动能，对下游河床或渠床产生冲刷，须采取措施进行消能。消能工的作用就是：消除水流动能及波状水跃，促使水流横向扩散防止产生折冲水流；保护河渠床防止剩余动能引起的冲刷。这两方面措施，首先是消能，其次是防冲。如果离开了消能、单纯地采取消极的防御性措施，既不经济也不安全。因此，在消能防冲设计中，一定要抓住消能这个主要环节。

参考文献

[1]孔媛媛，水工建筑物消能设计的相关建议[J]，科技前沿，2010，（21）

[2]郭宪艳，冯硕，平原地区水闸消能防冲设计探讨[J]，中国水运，2011，（03）

[3]陈芸，水工建筑消能设计要点[J]，水利工程，2011（30）