（1）水流经泄水建筑物或落差建筑物下泄时，由于水流势能转化为动能，使下泄水流具有很高的流速和紊动性。为保护枢纽建筑物的安全，防止或减轻水流对水工建筑物及其下游河渠的冲刷破坏，需要修建消能工程设施（简称消能工），尽可能在较短的距离内消耗、分散下泄水流的巨大动能，以使下泄水流与下游水流顺利安全衔接。

消能工的功能常通过以下方面的综合作用而实现：水流内部的紊动扩散和摩擦、水流与边壁的摩擦与碰撞、水流在空气中的扩散以及与空气的强烈掺混等。消能工的实质是促进水流的动能最终转变成热量而耗损，或使水流的动能分散以减小对建筑物及河渠的破坏。

（2）工程上常采用底流、挑流、面流（含戽流消能）、收缩流（包括窄缝挑流和宽尾墩）等消能形式，此外还有沿程消能（含阶梯坝面消能）、自由跌落式消能、压力消能（竖井消能）、孔板消能等（图4.76）。

图4.76　消能方式

在工程实践中，有时将两种或两种以上类型的消能工组合起来运用。如在潘家口水利枢纽溢流坝和水布垭水利枢纽溢流坝上应用的宽尾墩挑流消能工（图4.77），在五强溪水电站溢流坝和桃江水利枢纽溢流坝上采用的宽尾墩和消力池联合消能工等。

（3）底流消能。底流消能是在坝址下游设置消力池、消力坎等工程措施形成消力池（图4.78），促使水流在限定范围内产生水跃，通过水跃产生的表面旋滚和强烈的紊动，使水流的能量通过掺气、水分子的相互撞击、摩擦而有一定程度的消耗，从而使池水流与下游的正常缓流衔接起来。这种衔接形式中，高流速的主流在底部，故称为底流消能。

图4.77　联合消能方式

图4.78　消力池（向家坝水电站）

底流消能适用于各种地质的河床，无论是岩基还是软基均可采用，工作可靠，但工程量较大，多用于中低水头及地质条件较差的水利工程及水土保持工程。

底流消能工设计主要确定消力池长、宽及池后护坦（海漫）尺寸等，具体计算可参考相关规范或资料。

（4）挑流消能。挑流消能是在泄水建筑物末端设挑流鼻坎，挑流鼻坎高于下游水位一定高度（图4.79），利用下泄水流所挟带的巨大动能，因势利导将水流抛射到远离建筑物下游的河道内。当水股抛入空中时，通过射流在空中的扩散、紊动和掺气作用，消除部分能量，当水股落入远离建筑物的下游时，与冲刷坑内水垫及河床碰撞并形成强烈水滚，消耗大量的机械能，最后以环流的形式与下游水面衔接。

挑流消能通过鼻坎可在挑流范围内有效地控制射流落入下游河床的位置、范围及流量分布，对尾水变幅适应性强，结构简单，施工、维修方便，要求下游河床的地质条件要好，最好为基岩。由于水流被挑到离建筑物较远的下游，河床一般可不加保护，节约下游护坦，广泛应用于中、高水头，大、中、小流量的各类建筑物。但其下游冲刷较严重，堆积物较多，尾水波动与雾化都较大。

挑流消能设计的主要内容有选择鼻坎形式，确定鼻坎高程、反弧半径、挑角，计算挑距和下游冲刷坑深度等。

挑流消能的鼻坎形式很多，常用的有连续式鼻坎、矩形差动式鼻坎，还有扭曲鼻坎、扩散式斜切鼻坎、扩散式鼻坎和窄缝式鼻坎等（图4.80），对鼻坎尤其是对差动式鼻坎，要注意防范可能的空蚀破坏。

图4.79　挑流消能工实例

挑流泄洪雾化大，要考虑对岸坡、附近建筑物及设施产生的不利影响。冲刷坑的深度与范围是研究挑流消能冲刷对建筑物和河岸稳定影响的依据，冲刷坑深度与射流的单宽流量、落差、岩基构造和特性以及水力因素有关，其中单宽流量最为关键。当坝址处下游尾水较浅，地质条件不好时，宜采用壅水措施增加水垫深度，如在冲刷坑下游修二道堰；地质条件差的地段冲刷坑可能很深，需修建防冲护坦。冲坑下游堆积物多，要注意避免影响电站出力或通航。

（5）面流消能。在泄水建筑物的末端做成低于下游水位的跌坎，将下泄的高速水流导入下游水流的表面，主流与河床之间形成一个巨大的底部旋滚，避免主流直接冲击河床，这种消能形式称为面流消能。

图4.80　挑流鼻坎类型

面流式消能主要通过水舌扩散、流速分布调整、底部旋滚的激烈紊动消能，由于高速主流位于表面，故称为面流式消能。这种消能方式的适用条件是下游水深大，水位随季节变幅小。由于主流在表面，有利于通过表流迅速排泄冰块及其他漂浮物而避免撞击坝面和护坦，另外由于主流在表层，对河床冲刷作用小。缺点是下游水面剧烈波动，对岸坡稳定和航运不利。中国西津、青铜峡、富春江（图4.81）、龚咀水电站的泄洪消能方式，均采用面流消能，其中龚咀溢流坝泄洪单宽流量达242m3/（s·m）。

图4.81　富春江水电站泄洪实况及面流消能示意图

（6）戽流消能（图4.82）是综合上述3种基本消能方式的消能方式。实际工程中，为了提高效能效率，有时也设置趾墩、消力墩等辅助消能工。

图4.82　戽流消能工示意图

消能工的选型和设计是一个十分复杂的问题。一般情况下，应综合分析泄流要求、上下游水位、地形、地质以及施工和运用要求等因素，通过技术经济比较、科研试验等综合论证确定，大中型和重要工程的消能工需经水工模型试验验证，复杂情况下可以采取不同类型消能联合消能的方式（图4.83）。(www.daowen.com)

图4.83　挑流消能+底流消能及辅助消能工

习题

【思考题】

1.泄水建筑物下游的水流具有什么特点？为什么需要进行消能？

2.泄水建筑物下游有哪几种消能形式？它们消能的原理是什么？

3.底流消能有哪几种形式？

4.如何确定降低护坦式消力池的设计流量？

5.底流消能工需要确定的基本参数有哪些？简单叙述降低护坦式消力池和修建消能坎式消力池的设计步骤。

6.挑流消能有哪些基本适用条件？

7.挑流消能的挑距与冲坑如何确定或估算？

8.挑流消能的雾化情况会产生哪些不利影响？

9.挑流消能与底流消能各有何优缺点？

10.你了解哪些新型的消能工？请举例说明其优点与应用条件。

11.你了解哪些辅助消能工？请举例说明。

【计算题】

1.某渠首采用单孔溢流坝，护坦宽与堰宽相同（图4.84）。已知上游堰高与下游堰高相等，即P1=P2，单宽流量q=10m3/（s·m），流量系数m=0.49，流速系数φ=0.95，明渠下游正常水深ht=3m，堰上水头H0=2.5m。如果需要，请设计一个消能坎或降低护坦式的消能池。

2.如图4.85所示，一段矩形断面的陡槽，宽度b=10m，下游连接一段宽度相同的缓坡明渠。流量Q=40m3/s，陡槽末端水深h1=0.5m，缓坡明渠的均匀流水深ht=2.2m。请判别水跃的衔接形式；是否需要修建消能设施？

图4.84　[计算题]1图

图4.85　[计算题]2图

3.某WES剖面的溢流坝采用闸门控制流量，坝宽100m，坝高10m，如图4.86所示。当堰上水头H=3.2m，流量Q=600m3/s，收缩断面水深hc=0.42m，下游水深ht=3.05m。试判别下游衔接方式。如果要修建降低护坦式消能池，请初估该流量下的池深d。

4.如图4.87所示正堰式溢洪道，堰下游为一段梯形断面的混凝土渠道，已知：堰上水头H=3m，堰宽B=5m，渠宽与堰宽相等，堰高P2=7m，堰的流量系数m=0.45，流速系数φ=0.95，闸前行近流速v0=1m/s；梯形渠道底宽b=5m，边坡系数m=1.50试求：当堰上单孔闸门全开时，堰下收缩断面水深hc=0.72m时的下游衔接方式，如果要设计降低护坦式消能池，请初估消能池池深。

图4.86　[计算题]3图

图4.87　[计算题]4图

5.某矩形断面渠道中筑有一溢流坝。已知渠宽B=18m，流量Q=265m3/s，坝下收缩断面处水深hc=1.1m，当坝下游水深ht=4.7m时，坝下游是否发生水跃？如发生水跃，属于何种形式的水跃？是否需要修建消能工？若需要修建消能池，估算消力池深。