泄水建筑物下游的消能工研究现状综述

泄水建筑物下游的消能工研究现状综述

张帆，王咏昕，姜源，张佳文，杜晓宇，曹栖墅

（长春工程学院，吉林省长春市 130012）

摘要：消能工指在消除泄水或落差建筑物下泄急流的多余动能，避免水流对下游水工建筑及河渠的冲刷破坏。本文综述了辅助消能工的研究进展，包括消力墩、宽尾墩、尾槛、悬栅及联合辅助消能工，并展示了各消能工的图示、特点及应用条件[1]。在消力池中，辅助消能工是提升消能效果的关键措施，而联合应用可进一步提升效率，发挥各消能工优势，确保水闸安全持久运行。

0 引言

泄水建筑物在水流下泄时，往往会产生携带着大量多余动能的急流，将对下游的水工建筑物、河渠等造成严重的冲刷破坏，进而威胁整个水利系统的安全稳定运行，所以常需在下游设置消能工，消除急流带来的多余动能，减轻水流对水工建筑物及其下游河渠等的冲刷破坏[1]。本文基于现有国内外现状研究，针对不同辅助消能工的研究进展、适用条件、设计特点及在实际工程中的应用效果进行梳理与分析，旨在帮助水利工程人员拓宽对辅助消能工型式和应用的认识，为消能工的设计、优化和应用提供有益的参考和借鉴。

1 阶梯式消能工的型式和研究分析

阶梯式消能工作为一种高效的泄水与消能结构，主要应用于坝身溢流坝面和岸边溢洪道，这种结构不仅具备泄水功能，更能有效消减水流能量。水流在通过阶梯时，能量沿程逐渐耗散，主要依赖于台阶对水流的“加糙”作用，增加紊动和掺气量，通过水流的跌落、碰撞以及阶梯内的横向旋滚达到消能目的。

阶梯消能工的施工相对简便，有助于缩短工期、降低工程成本。随着碾压混凝土施工技术的不断进步，其优势愈发显著。在实际应用中，还经常采用多种消能工组合的方式，如宽尾墩+阶梯溢洪道、宽尾墩+阶梯溢洪道+消力池等，这些组合方式进一步推动了阶梯溢洪道的发展。

然而，作为一种新型的泄水建筑物，阶梯消能工在所有过流条件下的安全稳定性一直是工程界关注的焦点。在大单宽流量洪水的宣泄过程中，已有阶梯消能工发生空蚀破坏的案例，如1974年丹江口水库的阶梯式溢流坝在应对大流量洪水后，其溢流面遭受了严重的空蚀破坏[2]。特别是在没有设置掺气保护设施的阶梯消能工上游段，水流掺气不足时，更容易发生空蚀破坏。根据现有研究，当阶梯溢洪道的过流单宽流量超过一定阈值（如50m³/s·m）时，空蚀破坏的风险显著增加，这在一定程度上限制了阶梯溢洪道的应用范围。因此，在未来研究中，如何优化阶梯消能工的设计，提高其抗空蚀能力，将是工程界需要重点关注的问题。

2 收缩式消能工的型式和研究分析

收缩式消能工的核心原理在于射流的纵向扩散。当急流经过其收缩边壁时，水流表面会形成驻波，使得底部法线上各质点的速度倾角不同。水流流出收缩段时，由于底部法线上各质点运动方向各异，射流在立面中会产生明显的纵向扩散现象。这种扩散主要取决于各质点纵向流速流向的变化，由于纵向流速通常远大于横向流速，因此纵向扩散效果较横向扩散更为突出[3]。

收缩式消能工的主要型式包括宽尾墩消能工和窄缝式消能工。宽尾墩消能工的设计使得水流在通过时能够形成特定的流态，有效地利用水流的动能，使其在空中扩散，减少了对下游河床的冲刷，这种型式在峡谷地区的水力枢纽工程中具有广阔的应用前景；窄缝式消能工是利用窄缝的收缩效应，使下泄水流沿纵向和竖向扩散、掺气，从而达到消能的效果。其单宽流量可以远超一般等宽挑坎，因此特别适合用作峡谷地区泄水建筑物的消能设施[4]。

近年来，宽尾墩消能工的研究相对成熟，在窄缝式消能工的水力特性方面进行了详细的理论分析和试验研究，给出了任意体型窄缝主要水力参数的计算公式，以及窄缝式消能工体形参数的选择范围。随着研究的深入，研究者开始探索收缩式消能工与其他消能工形式的联合应用，以进一步提高消能效率。

3 扩散式消能工的型式和研究分析

扩散式消能工是一种利用挑坎边墙横向拓宽，借助水流自身扩散作用，显著增大水流入水面积的水力工程结构。在当前的水电工程实践中，扩散式挑坎已发展出多种型式，各具特色，适应于不同的工程条件和需求。

斜切坎作为一种典型的扩散式挑坎，其坎顶与水流流向呈斜交状态，使得挑距沿程发生变化。这种结构特别适用于宽度相对较小的岸边泄水建筑物，通过斜切的设计，能够有效地引导水流扩散，减少下游冲刷。扭曲坎则是在斜切坎的基础上进一步发展而来，国内的瀑布沟水电站岸边溢洪道便成功采用了扭曲挑坎，取得了良好的消能效果。

近年来，对扩散式消能工的研究也在不断深入。研究者通过理论分析、数值模拟和实验研究等多种手段，对扩散式消能工的水力特性、消能机理以及优化设计等方面进行了广泛的研究。在优化设计方面，研究者致力于通过改进扩散式消能工的几何参数、调整水流条件等手段，提高其消能效率和稳定性。

4 孔板式消能工的型式和研究分析

孔板作为一种创新的消能工，在水利工程中消能较显著。当高速水流在洞内遇到孔板时，流线会发生明显的改变，并在孔板下游形成漩涡区。这一区域中水流产生强烈的紊动和混掺，通过内部剪切作用实现能量的有效耗散。研究显示孔板式消能工的能量耗散主要发生在孔板下游的漩涡区，其水流的剪切流动是能量耗散的关键原因。此外，由于过水断面尺寸的突变，局部压力也会发生显著变化，水流紊动引起的脉动压力增加，进一步促进了能量的消耗

[5]。

孔板消能工主要分为单级和多级两大类，根据具体的布局形式而定。在实际应用中，多级消能结构显示出更高的适用性。以我国著名的小浪底枢纽工程为例，它成功采用了三级孔板结构，将原本用于导流的洞道转变为泄洪洞。这一创新不仅显著降低了工程投资，还有效解决了传统消能工占地面积大、施工难度高的问题，展现了其在实际工程中的优势。

随着国内外学者对孔板消能工的不断研究，孔板结构已经衍生出多种变形，以进一步优化孔板下游的水流特性。例如，通过在孔板上附加消涡环或对孔板边缘形态进行精细调整，都可以有效改善水流状态，提高消能效率。这些不同形状的孔板在工程中得到了广泛应用，并展现出了良好的消能效果。

5 自由跌落式消能工的型式和研究分析

自由跌落式消能工通过让下泄水流自由跌落到下游水垫中来实现能量消耗。当水舌自由下落并冲击床面流向下游时，冲击点处的水舌会向上下游分流，形成天然水垫。这一水垫在水流方向上产生的静水压力，类似于沿自由下落水舌形成的水道。水垫引发的水舌扩散现象使流向下游的水流流速降低，从而达到消能的目的。自由跌落式消能工有平顶式和曲线顶式两种型式，这种方式起初主要应用于低落差的跌水，后来逐渐扩展到中、高水头薄拱坝的坝顶溢流。尽管自由跌落式消能工既简单又经济，但它对下游水深和河床基岩的质量有着较高的要求，需要确保下游水深足够且河床基岩稳固[6]。

学者们通过数值模拟、实验研究和理论分析等手段，对自由跌落式消能工的水流特性、能量耗散过程以及结构优化等方面进行了深入研究。在实际应用中，为确保自由跌落式消能工的效果并保护坝体安全，工程人员通常会采取一些辅助措施。例如，在坝趾下游水流跌落范围内设置护坦，用以保护河床；在坝后适当位置修建二道坝，抬高下游水位，增加水垫深度；或者同时设置护坦和二道坝。这些措施能有效防止跌落水流淘刷坝趾，提高坝体的安全性。

6 结语

（1）目前单一辅助消能工的应用与研究相对丰富，然而对于联合辅助消能工的探索尚显不足。未来可针对联合辅助消能工的布置型式、组合关系、空间位置以及相对尺寸等关键要素展开深入研究。

（2）针对各种辅助消能工型式，应继续深化其消能机理的研究，揭示其能量转换和耗散的内在规律。同时，利用先进的数值模拟技术，对消能过程进行精细化模拟，以更准确地预测和评估其性能。

（3）在深入理解各种消能工型式的基础上，应进一步优化其结构设计，提高其消能效率和稳定性。同时，积极探索新的应用方式，将辅助消能工与其他水利设施相结合，形成更为高效、安全的综合消能系统。

参考文献

[1]王登贇.基于FLOW-3D软件的滁州城西水库北溢洪道复杂消能工数值模拟[J].陕西水利,2020,(05):6-7+13.

[2]郑秋文,陈芝宇.阶梯消能工研究综述[J].吉林水利,2015,(08):21-25+28.

[3]黄秋君,吴建华.收缩式消能工的研究现状及进展[J].河海大学学报(自然科学版),2008,(02):219-223.

[4]刘亚坤.冲击波与收缩式消能工若干问题的研究[D].大连理工大学,2006.

[5]张志刚.孔板式消能工消能研究[J].黑龙江水利科技,2021,49(05):45-47.

[6]陈婷.小流量自由跌水长度及消能研究[D].西华大学,2016.