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碍航滩险及其特性
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泥石流计算方法
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你可能喜欢排洪沟的消能一般采取什么措施？ - 市政给排水 -
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排洪沟的消能一般采取什么措施？
排洪沟的消能一般采取什么措施？
排洪沟的消能一般采取什么措施？
工厂位于山区，厂区周围设一圈排洪沟
审查意见是：排洪沟需设消能措施，请问有谁知道如何做？谢谢
闸坝下游消能问题
消能是防止冲刷破坏的一种必要措施，以使泄流能量消减和扩散。不致发生下游严重冲刷危及安全为目的。一般是通过摩擦、冲击、旋滚、挑流、扩散、气等方式来实现，使水流发生强烈的动和渗混作用把动能转变为热能。具体工程措施则有消力池（槛、墩、齿等）、戽斗、跌坎、鼻坎、滑雪道等消能工。从水流形态的水力学观点出发，可区分为以下三种基本消能形式。
1．底流水跃消能
水跃消能是最古老也是最稳妥的消能措施，能在极短距离的消力池中消杀大部分能量，随着佛汝德数的增加，消能率高达2/3以上，要比不产生水跃的渐变流所消失的能量大几十倍。因此低水头的闸坝泄洪多采用消力池或倾斜护坦以及槛、墩、齿等辅助消能工，以适应产生水跃的共轭水深及其长度。长江葛州坝工程二江泄洪闸就采用了水跃消能措施，设计单宽流量高达220 ，并已经过最大洪峰流量70800 的考验，证明消能防冲效果很好。其它如盐锅峡、林、陆水等泄洪工程也采用了水跃消能。但在高速水流情况，若在池内设置墩、齿就易发生空蚀破坏，此时就应考虑墩、齿形式和气措施，以致高坝采用水跃消能的很少。
二元水跃计算已很精确，而实际问题多属三元空间水跃，特别是平原水闸，下游河道宽广，必须考虑跃后扩散水流的迅速均布问题。同时还得考虑个别闸孔出流所形成的不完全局部水跃的消能问题。但目前还没有一个好的设计计算方法，很难有一种适应各级水位和任意开闸方式的消能工，因此还要辅助以调度运行控制管理来保证泄流的安全。
2．面流消能
面流消能介于水跃和挑流两种消能形式之间，利用跌坎或戽斗的末端仰角将主流挑向尾水面部形成坎后底部旋滚和戽斗紊动达到消能的目的。这种面流式消能都是不脱离开下游水体的，所以受尾面或尾水深度的影响较大。各级尾水位情况下会发生各种流态和不同位置的旋滚，这些多变流态过程也可总称为混合流。
跌坎消能工首先用于前苏联伏尔霍夫水电站（1926年），戽流消能工首先用于美国大古力坝（1942年）。我国西津水电站开始采用跌坎消能（1964年， ），石泉水电站开始采用戽流消（1975年， ）。迄今已有30余工程采用面流式消能，多数运行良好，但水流余能大，水面波动较剧，影响距离远。例如西津溢流坝下游水面波浪影响河道岸坡的稳定，长达3km；龚嘴溢流坝下游出口表面流速30m/s，强烈底部旋滚夹带砂石对周围建筑物产生严重的冲击和磨损。
3．挑流消能
高水头泄流时多采用挑流形式（连续式或差动式鼻坎），工程量小，投资省，检修方便。我国较早采用挑流消能的有丰满溢流坝、狮子滩溢流坝和佛子岭泄洪洞等工程。目前在岩基上建坝已被广泛采用，而且随着峡谷建坝的增多，新型挑流消能工也不断出现，其特点是强迫能量集中的水流向纵、横、竖三个方向撕开扩散和互相冲击，促进紊流气，扩大射流入水面积，减小和均化河床单位面积上的冲击荷载以减轻冲刷。例如乌江渡水电站的溢流坝和滑雪道，利用了挑流鼻坎控制水舌落点，使之沿河纵向撕开，冲刷较浅。但对挑流的物化影响和下游堆丘抬高尾水位影响电站出力问题应加以注意。
此外，拱坝坝顶自由跌流的消能措施主要是水舌跌流处有足够的水深，即以挖低岩基形成水池或筑二道堰抬高尾水位以及加强水舌跌流点的抗冲强度。同样，渠道跌水也属此类。
消能建筑物指南
本文将首次与大家分享一系列关于土木工程设计和工程学的实用信息和见解。
我们习惯通过兆瓦来衡量水电站的装机容量，以每秒流出的水的立方米数来衡量大坝溢洪道的宣泄流量，然而我们经常忽略了与宣泄量有关的消能程度，这些消能数值有可能是极值。举例来说，在巴基斯坦的Mangla水坝，水电站装机容量是1,000MW,然而洪峰泄量的消能需求大约是25,000MW!
设计土建结构以达到安全经济的适应这些能量是可以做到的,但是这需要正确的观念和丰富的经验去进行细部设计。泄洪道工程有可能超过主坝体或堤防的花费。 许多泄洪道和消力池已经需要大修，甚至大多数已经超出设计流量的范围。 设计的指导方针常常是以理论水力学为基础的，而并非以实际的安排为基础。在本文中,我将与大家分享几个关于溢洪道和消力池的设计理念，这些理念都经过实验验证，切实可行。
1 水跃式消力池
简单的水跃式消力池适用于上下游水头差超过10m或者是水头差在30m到50m之间的情况。根据消力池中水的体积来划分水能被消散的程度，给出典型的 &能源密度&大约在每立方米5到15KW左右。在10到30m水头差范围，消力墩将会增强水跃, 造成一个较小的消力池，从而节约了建筑造价。 超过30m的水头差后，空化和剥蚀的破坏就会变得显著起来。超过50m以后，很多简单的消力池已经失去作用，而一些自由射流或挑流鼻坎的布置或许比较好。
在大坝的下游出口到接近尾水位一段距离处,或是在泄槽的末端，高速自由射流可以被泄放掉(比如在莫桑比克的 Cahora Bassa水坝)。 自由射流和跌水池消能的优势在于，这样的工程避免了对昂贵的混凝土消力池的需要。跌水池的开挖方量可以在水库的正常运行中被水流带走。
用调整疏缝预破碎岩石的方法可以指导跌水池的修建，但是一些别的暗示——比如下游的岩层——也需要被注意到。首先，受侵蚀的消力池中很多岩层的外观会很难看，其次，这样的岩层会影响发电。据我所知至少有一个这样的案例：岩层抬高了下游尾水位，从而降低了电站的电量输出，电站输出电量降低严重到一定程度将会导致电站的业主必须停止发电一年，来开挖清理掉这些岩层。在另一个水电工程中，岩层横靠电站厂房，在一次大洪水中，电站厂房被水淹没而且停产好几年。
中等水位的泄水（比如在赞比亚和津巴布韦边界的Kariba大坝）不会象Cahora Bassa 水坝的低水位泄水一样向下游射流很远。这意味着任何由中间水位而建的消力池应比较靠近大坝。
分析指出稳定长期的洪流“能源密度” 在Kariba消力池大约为每立方米7kw。国际大坝委员会技术委员会会议期间有关消能的讨论中, 被引述的跌水池的能源密度范围大约每立方米10kW到30kW。 然而, 这范围更多的适用于在建的而非已建成的跌水池。
由混凝土大坝堰顶溢流的水流最好经由高水位分离器分解和掺气，“Roberts”分离器装置已经广泛应用,包括在斯里兰卡的维多利亚水坝。许多水坝直接向下游岩床泄洪，也许下游设置的溢流堰能抬高局部尾水位( 如在莱索托的 Kastse 水坝)。
其他的高水坝也能成功的将这些流量泄放到混凝土护坦上, 使能源密度达到每立方米60KW。这样的冲击式护坦是典型的根据“带式支撑”原则设计的，由止水条、地下排水、锚杆共同组成。具有代表性的是，混凝土板——平面尺寸为15m×15m，深为3m，被用在剪切键和上游面钢筋之间。止水条和地下排水装置在所有的接缝处都要设置，而且锚杆的设计要以极少出现在冲击区负低压区域的高压为基础。
3 其他的消能替代
在混凝土坝顶，单宽流量可允许减少到宽12m3/s.m到15m3/sm左右，坝的下游面的梯级也可以用来消能，同时减少了建一个完整的沉沙池的必要。这种布置适用于碾压混凝土坝。
跌水护坦要沿着下游坝址修建，用来改变到中央消力池处的流量。这些类型的护坦被用在莱索托的 Muela水坝和在英国的Castlehill和Glywedog水坝。这也可能是对每立方米30KW到40KW左右全部能量密度的一个非常有成本效益形式的消能方式, 同时将水坝高度减到最低而且省去了闸门的安装。
4 工程学和设计考虑
对于所有这样的工程，详细实用的结构对于简单的水跃式(举例来说，美国垦务局类型1)消力池的需求来说是最好的。
在上游末，进入的急流在这里水平转弯，将会产生很大的离心压力。接缝加以调整以避免这样的区域，或者说是使得更安全，防止高压力水流注入消力池底板的低压地带。
通过专门的消力池、锚杆——结合基础板的静荷载——应该能够承受最大的分层水压, 这种分层水压是以穿过消力池直向前的水位差为基础的。这样的措施是基于下面的一种假设：就是地下排水装置之间的互相连接可使高尾水位升压到水位较低的区域。
锚杆需要足够的深度来适应基岩的荷载，但必须注意杆的长度可以参差不齐，以尽量节省造价。举例来说，如果岩石需要6m的深度,只需要50%长度的锚杆以配合不到3m的深度。别的锚杆也都可以截成3m的长度，只需要预留锚固长度就可以了。使用较少部分的长杆也是比较经济的。那是因为安装锚杆的费用三分之二都是用来钻孔的。此外，对于同样表面的腐蚀深度，花在大的锚杆上的功夫比起在小的锚杆的会小一些。
理论消力池的长度通常根据水跃的无量纲 &佛汝德& 常数来确定。但是,事实上，这只是个参考。大型的水跃式消力池,通常是指“佛汝德”常数为4 到 10 的范围中修建的消力池,在实际的水跃中大约只会消去40％到70％的能量。 剩余的能量被携带入河水，在很短的时间内就会在巨浪汹涌﹑旋转﹑冲刷中被消去。 由此产生的结果是，为了减少工程造价，消力池的长度经常被减短。 为了校核被缩短的消力池合适的长度，需经由适当的模型试验来验证。
在消力池被缩短的地方,也就是说，在理论上的水跃长度60% 之处, 任何冲刷沟的下游界限是不受影响的。 整个由上游到下游冲刷的程度只是为了增加补偿。 消力池的下游尾栏在这方面的作用是很大的，它产生一个反面的水“旋滚”,确保下游的河床材料抵御冲刷，更有效地保护下游河床不受破坏。锚杆的下游 &帷幕& 提供了附加的安全度。
地下排水装置是使用多孔管，砂砾层，及不含细骨料的混凝土的典型组成部分。相对地，一个三角形的接缝排水沟—— 由预制板构成——是简单有效的。地下排水管应该设置在消力池侧墙的低压区域中或直接通向尾水。当然，有的消力池仅有横向排水管，将上游和下游直接连接的可能性减到最少。
许多消力池的上游地下排水装置，改为进入设置在主溢洪道体内的检查廊道中。 在某个工程中,廊道也可通过一扇防水闸门连接到主体发电站。如果下游的护坦保护失效, 来水将会很猛，以至于不到十分钟就会阻塞廊道 ( 和与之相连接的防水闸门)。不久之后,电站将会被水淹。这一个例子表明,上游出口主要是被提供给排水沟清洁和维护目的的地方, 在下游板失效的情况下，出口应该是密封的，或保持很小以限制随后的来水。
工程已经基于水跃式消力池的紊动压力建成, 尽管将这种紊动压力转化成设计的任何努力尝试已经做到，但这一切都是可变的。根据广义原则，护坦板应该坚固而且易锚固, 所有的地下排水装置都被制造成大直径。大直径可以确保任何局部动水压力的注入，通过接缝或裂缝将会快速地释放。个别的板应该尽可能做的大一些,归结于这样的一个事实，瞬时压力均值以平均的区域减少。在一些情形中，比如在乌拉圭的Palmar水坝，护坦是连续浇注的，65m长，用适当的上游面裂缝分布筋来控制上游到下游方向的混凝土开裂。这是远比很多小平板好很多的解决方法。
套管或 &豪厄尔斯-盖子&阀门池用高水头偏转水流挡板和波浪抑制器以多种方式设计。 根据全消力池比例，美国垦务局关于空注阀的指导方针反映很好,尽管所有消力池的安排是不同的。每立方米40kW到50kW范围的能源密度可能达到上游区域局部能源密度的二倍。在至少一个例证中，一个管阀池的能源密度已经达到每立方米超过400kW的水平。高水头消力池的所有导流片上可能需要护钢。 但是,如果这样的出口被有规律的使用,比如在渠道的消力池中,完全可以安装串联灯泡式水轮机来获得更大的发电效益。
综上所述，这些建议值得牢记, 然而设计消能建筑物以成功适应可能最大的洪水是必要的,水力特性也可能在较低的范围内被优化,如500年一遇或1000年一遇的洪水险情中。意识到这样一种事实，将在工程规模和造价方面带来极大的节约。
水闸的消能防冲与防护概述
& & 由于土质河床抗冲能力很低，而水闸放水时又具有较大的能量，因而闸下冲刷是一种不可避免的普遍现象，有的冲刷并不危害建筑物安全，一般是允许的，但对于有害冲刷，则必须采取措施，加强防止。闸下冲刷原因是多方面的，根据设计及施工实践，绝大部分由设计不当造成，一部分是由后期运行管理不善造成的，为防止河床有害冲刷，保证水闸安全使用，首先要选用好适宜的单宽流量；其次是合理的平面布置，以利于水流扩散，避免或减轻回流的影响；第三是清除水流的多余能量和采用相应的防冲措施。&/DIV&
& && && && && && &&DIV&&STRONG&一、闸下泄流时的特点&/STRONG&&/DIV&
& && && && && && &&DIV&&&&&
& && && && && && &只有认识了闸下水流运动的规律，从具体情况出发，才能经济合理的解决闸下消能防冲问题。闸下出流流态比较复杂，开始放水时，闸下水深较浅，随着闸门开度增大逐渐加深，在这个过程中，闸下泄流由孔流到堰流，由自由射流到淹没射流都会发生。因此，必须采用适当的衔接方式。&/DIV&
& && && && && && &&DIV&1、闸下易发生波状水跃。由于水闸上下游水位差较小，相应福氏数 小（ 为第一共轭水深，
& && && && && && &处的断面平均流速）特别是平底板的情况下，更易发生波状水跃。当下游河床与底板齐平时，在共轭水深比 即 ～
& && && && && && &时会出现波状水跃，此时无强烈的水跃旋滚，处于急流状态，不易向两侧扩散，致使两侧产生回流，缩小了河槽的有效宽度，局部单宽流量增大，造成严重的冲刷河床及河岸。&/DIV&
& && && && && && &&DIV&2、闸下容易出现折冲水流。一般水闸的宽度比原河道窄，水流过闸先收缩，出闸后再扩散，水流集中，左冲右撞，造成折冲水流，淘刷河床及岸坡，影响水闸正常运行。&/DIV&
& && && && && && &&DIV&&STRONG&二、闸下水流的衔接及消能&/STRONG&&/DIV&
& && && && && && &&DIV&1、闸下水流衔接消能方式：平原地区的水闸由于水头低，下游水深变化大，无法采用挑流消能，一般多采用底流式水跃消能。虽然底流消能效果因水头差过小不很理想，但这种消能衔接方式适应于变动的过闸流量和下游水位，同时在平面上也容易扩散，所以底流消能在平原水闸中应用最广。&/DIV&
& && && && && && &&DIV&2、消力池的布置：促使闸下产生底流式水跃，主要是靠消力池。对土基上的水闸，若下游水深不足，可将护坦高程降低形成消力池。如地下水位较高，基坑开挖困难，消力池深挖后影响闸室稳定，则应采用综合式消力池。消力池的高程可按各种水流条件下能形成具有5～7%淹没度的水跃条件来确定，当池底高程低于底板高程时，常采用1：3～1：4的斜坡段连接，消力池的水平长度取决于大流量的泄流流态，一般取水跃的长度的0.7～0.8倍，平底段上扩散水跃长度L可按下式计算：
& && && && && && &&/DIV&
& && && && && && &&DIV&3、辅助消能措施：为调整水闸断面流速分布,减少池后淘刷,加强平面扩散,消减边侧回流,在消力池末端要布置尾槛，在消力池中深尾槛外,有时还要设齿坝,消力墩等辅助消能,达到使水流受阻,分散水流，造成涡流紊动,稳定水跃,缩短水跃长度。辅助消能墩因直接受水流冲撞、磨损，因而外形构造上通常以墩体上游面倾斜而代圆角者为好。辅助消能墩最好设在消力池前丰段,采用双排交错布置效果最好。&/DIV&
& && && && && && &&DIV&&STRONG&三、闸下防冲加固措施&/STRONG&&/DIV&
& && && && && && &&DIV&1、护坦：护坦是用来保护水跃范围内河床不受冲刷,保证闸室安全的主要结构。放水时,护坦上水流紊动强烈,受力复杂,不仅受水流冲击,还有上游渗透压力的作用。一旦破坏,就会失去稳定。护坦长度由水跃计算来确定,一般大中型水闸采用0.5～1.0m等厚的100#～150#砼做成，只布结构筋。为改善护坦稳定条件，可在护坦后部设排水孔，孔径一般7～25mm，间距1.5～3m,呈梭形分布。&/DIV&
& && && && && && &&DIV&2、海漫:水流流出护坦后虽已消除了大部分能量,但仍有较大余能,流速并未恢复到天然流速分布状态,仍具有一定的冲刷能力。因此,紧接护坦之后还要继续采用海漫等防冲措施。&/DIV&
& && && && && && &&DIV&海漫的长度应根据消力池出口单宽流量及扩散情况、上下游水位差、地质条件、尾水深度及海漫本身粗糙程度等因素来确定。国内采用的以下公式最适用：&/DIV&
& && && && && && &&DIV&&/DIV&
& && && && && && &&DIV&式中：q=海漫现点处单宽流量（m&SUP&3&/SUP&/s·m）&/DIV&
& && && && && && &&DIV&=上下游水位差（m）&/DIV&
& && && && && && &&DIV&=河床土质系数&/DIV&
& && && && && && &&DIV&&&&&&
& && && && && && &海漫的结构及布置要求坚固耐冲，适合冲刷变形，为使渗水排出，降低扬压力，还应具有透水性。为进一步消除余能，海漫表面应粗糙些，海漫材料主要取决于流速大小而定，常用的海漫结构有以下几种：&/DIV&
& && && && && && &&DIV&a干砌石海漫，一般用大于30cm，0.4～0.6厚块石砌成，下铺10～15cm碎石及粗砂反滤,常用海漫厚段。&/DIV&
& && && && && && &&DIV&b浆砌石海漫:用50～80#水泥砂浆,40～50cm厚砌成,内设排水孔,下设反滤层,一般用在海漫前部。&/DIV&
& && && && && && &&DIV&3、翼墙与护岸:翼墙的作用在于使出闸水流均匀扩散保护闸下岸坡免受冲刷,其形状及扩散角对闸下消能有重要影响,根据实践，翼墙扩散角采用8～12°为好。翼墙在消力池范围内采用铅直迎水面为宜。水跃后采用扭曲面为佳。与翼墙衔接的一段河岸由于水流速度较大或有回流现象发生,通常应作浆砌块石护坡,然后以干砌石护坡，保护范围应稍长于海漫，并在护坡坡脚及与土坡相交处应做500m齿墙交于土坡中，以防回流淘刷，护坡下需铺100m左右粗砂反滤层。&/DIV&
& && && && && && &&DIV&&STRONG&四、水闸的上游防护&/STRONG&&/DIV&
& && && && && && &&DIV&&&&&
& && && && && && &为保护上游河床免受进闸水流流速加大而出现的冲刷，必须采取相应的防护措施：包括铺盖、上游防冲槽及上游翼墙、护坡等。与闸底相连的上游铺盖，主要为防渗而设制，但又处被冲段，必须由耐冲的粘土、&
& && && && && && &浆砌块石作为防冲材料，上游铺盖长度2～4倍水头，上游翼墙通常设于铺盖段即可。上游护坡总长度可用下式计算： &/DIV&
& && && && && && &&DIV&式中: —铺盖长度&/DIV&
& && && && && && &&DIV&K=系数(对于大型水闸K=4～3.5；中型水闸K=3.5～3；小型水闸K=3.2～2.0)&/DIV&
& && && && && && &&DIV&闸下消能防冲及加固措施是水闸设计施工中一项重要内容,这关系到水闸设计施工后的运用效益、闸室的稳定；关系到挡水及泄水的双重作用；关系到防洪、抗旱的百年大计,是一项不可轻视的水利工程。&/DIV&
& && && && && && &&DIV&五、波状水跃及折冲水流的防止措施&/DIV&
& && && && && && &&DIV&1、波状水跃的防止：对于无槛的平底板可将底板沿长预留平台，这样即利于闸孔出流的扩散，又可在末端设置一道小槛，使水流跃槛入池，促成底流水跃。如将小槛改成分水墩或分水槛，那样对分散水流作用更大。&/DIV&
& && && && && && &&DIV&2、折冲水流的防止：消除折冲水流首先从平面布置入手，尽量使水闸的下泄水流与原河床主流位置和方向一致，其次是制定合理的闸门开启程序。如低泄量时应隔孔开启，使水流均匀出闸，先开中间孔，再渐开两边孔，关闭时相反操作，以使启闭过程中主流尽量居中。第三是控制下游翼墙扩散角，促使出闸水流扩散，扩散度为1：6～1：4，翼墙要平面光滑，墙顶要高出下游水位，以免回流由墙顶漫回消力池。这些对防止折冲水流效果很好。
闸坝下游消能问题概述
消能是防止冲刷破坏的一种必要措施，以使泄流能量消减和扩散。不致发生下游严重冲刷危及安全为目的。一般是通过摩擦、冲击、旋滚、挑流、扩散、气等方式来实现，使水流发生强烈的动和渗混作用把动能转变为热能。具体工程措施则有消力池（槛、墩、齿等）、戽斗、跌坎、鼻坎、滑雪道等消能工。从水流形态的水力学观点出发，可区分为以下三种基本消能形式。
1．底流水跃消能
水跃消能是最古老也是最稳妥的消能措施，能在极短距离的消力池中消杀大部分能量，随着佛汝德数的增加，消能率高达2/3以上，要比不产生水跃的渐变流所消失的能量大几十倍。因此低水头的闸坝泄洪多采用消力池或倾斜护坦以及槛、墩、齿等辅助消能工，以适应产生水跃的共轭水深及其长度。长江葛州坝工程二江泄洪闸就采用了水跃消能措施，设计单宽流量高达220，并已经过最大洪峰流量70800的考验，证明消能防冲效果很好。其它如盐锅峡、林、陆水等泄洪工程也采用了水跃消能。但在高速水流情况，若在池内设置墩、齿就易发生空蚀破坏，此时就应考虑墩、齿形式和气措施，以致高坝采用水跃消能的很少。
二元水跃计算已很精确，而实际问题多属三元空间水跃，特别是平原水闸，下游河道宽广，必须考虑跃后扩散水流的迅速均布问题。同时还得考虑个别闸孔出流所形成的不完全局部水跃的消能问题。但目前还没有一个好的设计计算方法，很难有一种适应各级水位和任意开闸方式的消能工，因此还要辅助以调度运行控制管理来保证泄流的安全。
2．面流消能
面流消能介于水跃和挑流两种消能形式之间，利用跌坎或戽斗的末端仰角将主流挑向尾水面部形成坎后底部旋滚和戽斗紊动达到消能的目的。这种面流式消能都是不脱离开下游水体的，所以受尾面或尾水深度的影响较大。各级尾水位情况下会发生各种流态和不同位置的旋滚，这些多变流态过程也可总称为混合流。
跌坎消能工首先用于前苏联伏尔霍夫水电站（1926年），戽流消能工首先用于美国大古力坝（1942年）。我国西津水电站开始采用跌坎消能（1964年，），石泉水电站开始采用戽流消（1975年，）。迄今已有30余工程采用面流式消能，多数运行良好，但水流余能大，水面波动较剧，影响距离远。例如西津溢流坝下游水面波浪影响河道岸坡的稳定，长达3km；龚嘴溢流坝下游出口表面流速30m/s，强烈底部旋滚夹带砂石对周围建筑物产生严重的冲击和磨损。
3．挑流消能
高水头泄流时多采用挑流形式（连续式或差动式鼻坎），工程量小，投资省，检修方便。我国较早采用挑流消能的有丰满溢流坝、狮子滩溢流坝和佛子岭泄洪洞等工程。目前在岩基上建坝已被广泛采用，而且随着峡谷建坝的增多，新型挑流消能工也不断出现，其特点是强迫能量集中的水流向纵、横、竖三个方向撕开扩散和互相冲击，促进紊流气，扩大射流入水面积，减小和均化河床单位面积上的冲击荷载以减轻冲刷。例如乌江渡水电站的溢流坝和滑雪道，利用了挑流鼻坎控制水舌落点，使之沿河纵向撕开，冲刷较浅。但对挑流的物化影响和下游堆丘抬高尾水位影响电站出力问题应加以注意。
此外，拱坝坝顶自由跌流的消能措施主要是水舌跌流处有足够的水深，即以挖低岩基形成水池或筑二道堰抬高尾水位以及加强水舌跌流点的抗冲强度。同样，渠道跌水也属此类。
泄水建筑物下游水流衔接与消能的主要形式& & 水流衔接消能的工程措施很多，选择具体消能形式时，需考虑泄出水流条件、下游河道的地形、地质条件和工程运用要求等。按照泄出水流与尾水及河床的相对位置，常见的有以下三种形式。
1、底流式衔接消能
& & 利用水跃消能原理，在泄水建筑物的下游修建消能池，使水跃发生在池内，通过水跃的表面漩滚和强烈紊动以消除余能，并实现急流向下游缓流的衔接过渡。由于衔接段高速主流在底部，故称为底流式衔接消能。
& & 底流式衔接消能能适应较大范围的能量和水位变动，具有消能效率高，水流形态稳定，下游冲刷较小，雾化问题较轻和适用于各种地基条件等特点。因此被广泛应用于中、小型工程。
2、面流式衔接消能
& & 在泄水建筑物出流处修建低于下游水位的跌坎，将宣泄的高速急流导入下游水流的表层，坎后形成的底部漩滚，可隔开主流以免其直接冲刷河床。余能主要通过水舌扩散、流速分布调整、底部漩滚及其与主流的相互作用而消除。由于高速主流位于表面，故称为面流型衔接消能。
& & 面流式衔接消能适用于下游水位较高的情况。此外，面流式衔接消能的主流在水流面部，有利于排放随水流下泄的漂浮物。
3、挑流型衔接消能
& & 利用泄出水流本身较大的动能，在泄水建筑物出流处采用挑流鼻坎将水流向空中挑射，再降落到离建筑物较远的下游，冲刷坑的位置离建筑物较远，不致影响建筑物的安全。水流通过水舌在空气中的扩散、空气的摩阻以及挑流水舌落入冲刷坑水垫中所形成的两个旋滚可消除大部分余能。
& & 挑流型衔接消能适用于中高水头的泄水建筑物，其下游无需作护坦或消能池，比较经济。
& & 实际工程的消能措施有时不是单一的衔接方式，而是两种甚至三种衔接方式的混合，如比较多见的消能戽，就是面流和底流共存的混合型。
& & 随着水利工程建设的发展和研究工作的深入，象掺分流墩消能、隧洞孔板消能、宽尾墩消能等新型的消能型式研究也取得了很大成就。为了更有效地提高消能效果，降低工程造价，近几年我国很多工程采用了联合泄洪消能方式，比如，安康水电站采用的一级消力池加宽尾墩加异形挑流鼻坎的联合消能、二滩水电站采用表孔、中孔水舌碰撞消能、岩滩水电站采用宽尾墩、戽式消力池联合消能工等等。
& & 消能方式的选择，影响因素甚多，包括坝型、坝高、泄流量、坝址的地质及地形、下游水深及其变幅、枢纽建筑物的布置及运用要求、还有工程的工期、工程量、投资等。应根据各个工程的具体情况，进行综合的技术经济比较分析来选定合适的消能方案，重要的工程一般均需通过模型试验和数值计算进行论证。
窄缝式消能工的水力特性及其体型研究
研究窄缝坎挑流的水流特性、消能要求及其体型参数的选择。窄缝使水舌出流挑角增大，水舌纵向拉开，形成水流变形耗能，且加剧了水流紊动、水舌破碎而掺气的耗能，使消能效果增加，冲刷减少。提供了不同收缩比与水舌出流挑角变化关系的试验成果及水舌纵向拉开值的估算公式。
宽尾墩窄缝式消能工是一种新型消能工，我国首先采用这种消能工的有潘家口水电站，而后有龙羊峡、安康、东江、五强溪、岩滩、隔河岩及设计中的水布垭等大型水利枢纽。经泄洪运行，宽尾墩窄缝式消能工工作状态良好。
宽尾墩窄缝式挑坎不同于等挑坎，它是借助于边壁的收缩，促使水流变形且形成竖向扩张和纵向拉开，加剧紊动掺气，使水流有效碰撞，提高消能效果，减轻水流冲刷。根据长江科学院对隔河岩、水布娅工程进行的整体模型和断面模型试验，水流进入宽尾墩窄缝段，由于宽尾墩的斜向挑射作用，水流横向收缩。在高流速的冲击下，水流向前上方向运行，水面壅高，水流沿尾墩壁向上爬高，形成中间低、两侧高的“凹”面形状。因而水翅的交汇点与冲击波的交汇点在立面上拉开一定距离，故两薄片中间有一个开口空腔，不断把空气卷入，输送到水体内部。同时，出窄缝坎射流水舌上缘出射角及坝面泄流挑角显著增大，水舌纵向拉开，水舌上缘射距大大增加。
为使窄缝挑流在各种来流条件下实现充分碰撞并有良好的扩散流态满足消能，需研究相应的窄缝体型。根据我们的试验研究：
a.边壁的收缩应适当，两侧水流既要充分碰撞，又不使上缘水舌过分弯曲跌落打击水舌，造成水舌挑距缩短。
b.挑坎内水流冲击波交汇碰撞，尽可能使表面水花近乎垂地飞溅，窄缝挑缝流水舌成“扫帚状”，而不使收缩太大，窄缝太小，以致出射水流挑角增大，挑距反而缩短，入水能量集中，消能效果不好。控制水流外缘出射角35°为宜。
c.水舌下缘挑距受挑坎底面控制，既要考虑射程不宜太短，否则会威胁鼻坎安全，又要考虑纵向拉开充分扩散。
d.冲刷坑浅，冲坑最深点距鼻坎距离合适，虚坡（冲坑最大深度与最深点离鼻坎距离之比）小于或等于1/3。
e.经碰撞后的挑流水舌不宜出现紧密实体水股，应充分破碎，分散成水滴，呈半透明状，掺气充分。
溢洪道弯道前陡槽内水流的消能研究
由于工程地形条件及枢纽布置的要求，溢洪道泄槽可能遇到陡坡接转弯的情况。本文针对一实际工程情况（布置图见图A），通过理论分析及水工模型试验研究，较为系统的论述了在进入转弯段之前陡坡段水流的消能问题。
一般情况下[9]，泄槽中水流的佛氏数大于2时，可能产生波动和掺气现象；平均流速达到15m/s左右时，易产生空穴和空蚀现象；若高速水流的边墙发生转折（如转弯等），将影响水的流向，产生冲击波。本工程要面对的问题是：弯段前的陡坡段落差28.3m，坡度1：4，如不采用工程措施（如消能等）对水流加以控制，转弯段内水流的流速要达到25.6m/s，佛氏数大于11，将产生冲击波、掺气和空蚀等耦合作用，情况十分复杂。
图A 溢洪道布置图
Fig. AArrangement plan of spillways
从有关资料来看[1][2][3][4]，泄槽内的消能措施主要有：单纯的台阶式陡槽溢洪道、单纯的多级跌水流动式溢洪道、加设消能栅等。溢洪道中也有采用弯段的情况，但弯段前后多为缓坡，水流进入弯道时的流速及佛氏数很低，弯段转角小。在以往工程中，设置成台阶式的溢洪道大多数是为了消除陡坡段内的能量，对水流的流速、佛氏数及流态控制考虑的少。
根据设计，工程规模为：校核洪水位2091.98m，校核洪水频率P=0.02%时溢洪道的下泄流量Q=284.58m3/s；设计洪水位2091.03m时， P=0.2%，Q=189.70m3/s；正常蓄水位2087.97m，设计洪水频率P=1%时Q=101.75m3/s。溢洪道为开敞式无闸控制形式。驼峰堰的堰顶高程2087.97m，堰底高程2086.97m，取堰顶至泄槽陡坡段及平面转弯段宽20m；陡坡段落差28.3m，水平向长度117.2m；下堰底部至陡坡段前以长30m的泄水平段相接；平面转弯段转角42°40′，溢洪道轴线的转弯半径80m。根据工程特点，设计初步拟定对陡坡段的水流采用多级跌水溢洪道泄水消能型式。
根据陡坡段1：4的自然坡比，为了减少开挖量，节约投资，初设采用28级台阶的跌水型式，即每米开挖成一级台阶，但在水平向不能保证形成完全水跃。经计算[5]消能率仅为10～20％，弯段前佛氏数大于2.3，弯段内的水流无法控制。改采用14级台阶与跌坎相结合的消能型式，虽然消能率有所提高，达到20～30％，但对弯段的流速及佛氏数的要求仍无法满足。故将原方案的落差增加，采用7级消力池，且在消力坎前增设T型墩，从理论上洪水频率为P=1%及0.2%的情况可得到较高的消能率，弯段前的流速及佛氏数亦满足要求，但P=0.02%的工况不能得到保证。最终采用5级消力池加T型消力墩的型式，理论上可完全满足要求。
二、理论分析
将陡坡开挖成台阶式的多级消力池。若要在每级消力池内形成完全水跃，取得较高的消能率，必须保证每级消力池满足池长等于对应落差下水跃及挑距的长度之和的条件。根据水力计算[5][6][7]，在不同单宽流量下，不同落差时所需的消力池长度变化曲线见图B。不同单宽流量下形成完全水跃时，不同落差下所能达到的最大消能率变化曲线见图C。
从图B、C中可以看出，同一落差下，消力池长度、消能率随单宽流量的增加而增加；同一单宽流量下，随落差的增加而加大。落差值较小时，消能率的变幅较大，但落差较大时变幅则较小。不同单宽流量下，池长、消能率随落差变化而变化的规律基本一致。要保证能量的高消耗率，就必须在结构尺寸上保证形成完全水跃。故单宽流量及落差一定时，形成完全水跃所需的水跃长度即消力池长度就一定了。当落差小于10～14m时，消能率曲线斜率大，增幅快，但大于此值时却较慢。
对于本工程，溢洪道最大单宽流量为14.229m/s3，陡槽的坡比是1：4。为得到较优的能量消耗率，多级消力池的级数要少，但工程挖方、混凝土方量较大；如果控制工程挖方和混凝土方量，水流的消能率又很低，转弯段进口的流态得不到保证。为此，在泄槽转弯段进口的流态满足水力学要求的前提下，应使多级消力池结构数所对应的工程挖方和混凝土方量最小。
为使消能效果更加理想，缩短消力池的长度，可采用T型消力墩[8]。它能使消力池内在尾墩前形成稳定的强迫水跃，有助于消能，使水跃长度减少，降低池内第二共轭水深。T型消力墩各部份最优尺寸比例为：前墩厚：前墩高：前墩宽（与净间距相等）：尾坎高：支腿长＝2：3：4：5：6，排列阻水总宽度一般为池宽的40～50％左右。
三、模型试验
根据理论分析及水流运动的相似原理，按重力相似原则和佛氏模型律对工程进行模型试验，长度比尺取为λL＝50。
采用不同的台阶落差值分三种方案进行试验。具体方案及试验情况如下：
3.1、方案一及方案二的结构尺寸见表1：
方案 P(m)台阶数 第一级消力池 中部各级(含尾坎厚)池长(m)最后一级池长(m)一 2.0141:3斜坡接12m长的水平段，落差3m8.05.6二 4.071:3斜坡接14m长的水平段，落差3.5m16.019.6　　试验发现，方案一堰后陡坡段消力池消能不充分。在较大流量下，第一级出坎水流已到第二级消力池的中后部，其它各级甚至出现上一级出水直冲下一级尾坎的情况，即消力池尺寸太小，不能保证在每一级池中形成水跃。由于陡坡段消能不充分，致使转弯段流速较大，水流沿断面极端不平衡，转弯处外侧水深远大于内侧水深，在其下游形成折冲水流或冲击波，在大流量时，水流在泄槽内左右摆动，碰射出边墙。
为了改善水流流态，提高消能率，方案二在每级消力坎前增设T型消能墩。T型墩的结构见图D，相应尺寸见表2。在第七级消力坎处采用差动式齿坎与下游部分相连接。
图D T型墩结构示意图
Fig.D The structure graph of T type pier
位置 前墩厚(m)前墩高(m)前墩宽(m)净间距(m)尾坎高(m)支腿长(m)第一～六级消力池 0.81.21.61.62.02.4第七级消力池 1.01.52.02.02.53.0　　试验中，方案二消力池结构对于P=1%及P=0.2%的洪水工况而言，陡槽段的消能效果较好，但在P=0.02%的情况下效果较差，不能保证。
3.2、方案三：以P=0.02%的工况为基准对七级台阶的情况进行改进，改进后的多级消力池剖面见图E。各级消力池T型墩体型见表3。第五级消力坎上采用差动式低齿坎与水平转弯段相连接，且高低齿坎的方向沿轴线偏右25°，取内弧面高0.5m，外弧面高2.5m。试验数据参见表4。
位置 前墩厚(m)前墩高(m)前墩宽(m)净间距(m)尾坎高(m)支腿长(m)第一级消力池 0.751.01.51.52.02.25第二～四级消力池 0.91.21.81.82.02.7第五级消力池 1.01.52.02.02.23.0
图E 五级跌坎消力池纵剖面图
Fig.E Longitudinal profile map of five stepped plunge pool
第一级消力池 第二～四级消力池 第五级消力池 洪水频率 收缩水深(m)跃后水深(m)坎上水深(m)流速(m/s)跃后水深(m)坎上水深(m)流速(m/s)跃后水深(m)差动式尾坎顶部 流速(m/s)左侧水深(m)右侧水深(m)1%0.903.901.853.414.252.002.405.000.753.004.14第一级收缩断面在斜坡起点下游的2.5m处；二～五级消力池内，水流从上一级尾坎跌下，形成正反两个旋滚，以跌落水股下游向旋滚为主；在此工况下，各级消力池水跃稳定，消能充分。 0.2%1.504.352.756.215.002.903.185.801.753.754.82此工况下各级消力池内的流态与P=1%时基本相同，水跃稳定，消能充分，但水流的紊动明显强于P=1%的情况。 0.02%1.905.003.754.305.753.753.307.003.005.255.44五级消力池的水流紊动进一步加剧，但仍可以保证在各级跌坎消力池内产生稳定水跃，消能较充分。 　　每级消力池的落差在8～10.5m之间，此时最优消能率曲线（图C）均处于最佳增值阶段。从试验中的数据可以说明，在各种工况下，五级消力池消能效果较好，基本做到了每级消力池的消能效率可以消除由于该级落差产生的水体动能，而且各级消力池内在各种工况下均未出现负压。在达到理想消能及水流流态状况下，此种消力池结构型式的工程量最小，最经济。
通过以上理论分析与模型试验可知，多级消力池是溢洪道弯道前陡槽内消能的一种有效的结构型式。为达到弯道进口断面所要求的水流状态，多级消力池的消能率不能太低，级数不能太多，而消力池级数较少又引起较大的开挖，增加混凝土工程量。较好的流态与经济的工程量是矛盾的，可以针对具体的工程条件进行理论分析与试验研究，找到二者兼顾的结合点。
一．拱坝的消能和防冲
1．跌流消能
　　水流从坝顶表孔直接跌落到下游河床，利用下游的水垫消能。跌流消能最为简单，但由于水舌入水点距坝址较近，需要采取相应的防冲设施。
2．挑流消能
　　拱坝泄水的一个特点是泄流过坝后向心集中，利用这一点，对称设置溢流表孔或泄水孔，使水流对冲，冲撞或改变方向，在空中消减部分能量后再跌入水中，达到消能的效果。
3.底流消能
　　下泄水流在下游河床中部形成强力回流，通过水流旋转、碰撞达到消能目的。
二．拱坝的材料和构造要求：基本与重力坝相同，详细资料请有关规范，此处不再赘述。
三．拱坝的建基面设计原则：拱坝建设中，确定坝基建基面时多以岩体的风化标准为依据，
　　一般是：高坝宜开挖至新鲜或微风化的基岩；中坝应尽量开挖至微风化或弱风化中、下部岩体。另外，在确定建基面时，要在保证大坝安全运行的前提下，尽可能减少开挖，缩短工期，节约投资，这是一项必须遵守的基本设计准则。
　　注意：根据工程实践， ①岩体质量分级与合理选取力学参数的问题；②弱风化岩体的可利用问题；③高地应力区建基岩体的选择问题；④坝基岩体变形对建基面的影响问题；⑤建基面岩体的强度问题；⑥建基岩体的稳定问题。以上六个问题是拱坝建基面设计中的应当注意的几个问题，这些问题的具体解决方案，请参阅有关资料。
四．拱坝的地基处理
　　拱坝的地基处理和基岩上的重力坝基本相同（都包含坝基开挖、固结灌浆和接触灌浆、防渗帷幕、坝基排水、断层破碎带或软弱夹层的处理五方面），但要求更为严格，特别是对两岸坝肩的处理尤为重要，具体要求请查阅有关规范。
台阶式溢洪道各流况的消能特性台阶式溢洪道各流况的消能特性
自古以来水利工程中为了消除过堰或过坝所形成的水流能量，一般都是利用光面溢洪道或溢流坝进行挑流消能或在下游修建消力池进行水跃消能。并对溢洪道和溢流坝的局部不平整度做了严格的规定，以防产生空蚀破坏。特别是垂直水流方向的局部不平整度，则要求更加严格。尽管如此，溢洪道和溢流坝遭到破坏的事例仍然不少[1]。但近20多年来，随着RCC施工新技术的出现和应用，对溢洪道和溢流坝的体型设计产生了很大的影响。台阶式体型的溢洪道、溢流坝以其优于光面溢洪道、溢流坝的消能率而受到世界各国水利界人员的强烈关注，并进行了大量的试验研究[2]。目前，世界上已经有几十座中小型水库采用了台阶式消能设施，其最大坝高已超过91m。有数座正在设计和施工的最大坝高已达100
m以上，中国的大朝山及百色工程都在100m以上。
& & 关于台阶式溢洪道滑行水流和跌落水流的消能率，目前仍存在着各种不同的说法和结论，因此，有必要进一步进行探讨。已往的试验研究，坡角从2.86°～75°的很大范围，本文以滑行水流时阻力最大的斜坡(θ=19°)为对象[3]，使其在下游形成临界水跃，对跌落水流，过渡水流及滑行水流时的消能率进行了试验，并对各流况的能量损失做了比较。
1&&试验条件
& & 试验用水槽宽B=0.4m，水槽长L=7.4m～11.5m，坝高Hdam=0.8m～2.4m，溢洪道的斜坡角度θ=19°，台阶高h=0.05m～0.2m，Hdam/yc=6.18～83.8，0.156≤yc/h≤2.0，跃后水深测量采用测针读取，读取精度为0.1mm，跃前断面底部压力用小型皮托管(静压管)量测。为进一步了解流况的变化情况，对典型流态进行了录象和拍照。
2&&台阶式溢洪道的水流流况分类
& & 台阶式溢洪道的水流流况根据其相对临界水深yc/h(yc溢洪道进口处临界水深，h台阶高度)，以及泄槽倾斜角度θ分成三类[4]。即滑行水流(Skimming flow)，过渡水流(Transition flow)和跌落水流(Nappe flow)，见图1所示。当水流流过台阶表面时，各台阶内全部被水充填，没有空腔存在，并在各台阶隅角和主流之间形成一个横轴旋涡，靠近主流处旋涡旋转方向和主流流动方向一致，这种水流称为滑行水流(见图2a)；处于滑行水流和跌落水流之间，在一些台阶内总是有类似跌落水流的三角形空腔形成，而在另一些台阶内总是有类似滑行水流的横轴旋涡形成，并且这两种形态沿台阶向下游交替存在于台阶表面与主流之间，定义为过渡水流(见图2b)；在各台阶隅角与主流之间总是有一个近似三角形空腔存在，空腔下为一近似梯形静水池，流股出现较大的弯曲，称为跌落水流(见图2c)。
3&&台阶上的断面比能
3.1&&滑行水流&&在滑行水流情况下，由于流过台阶表面的水流与假想底层(即各台阶尖端点的连线，见图3)平行，流线不会出现较大的弯曲现象。假定其台阶上的水压力为静水压力分布，令各台阶上的断面比能为H，则有下面的关系式
(1)式中：yw为垂直假想底层上的非掺气水深，可由掺气流体的水深进行换算，yc为溢洪道上游进口处的临界水深(yc=(q2/g)1/3,q为单宽流量，g为重力加速度)，θ为溢洪道斜坡角度，本试验中θ=19°。
3.2&&跌落水流与过渡水流&&在跌落水流与过渡水流中，流过台阶表面的水股直接冲击台阶的水平表面，流股不再与假想底层平行，流线出现较大的弯
曲，因此，在断面比能中应考虑流线弯曲的影响，式(1)变为：
(2)(3)这里，假定动能修正系数α=1,λ为压力修正系数[5],hw为垂直台阶水平面的非掺气水深，u为跃前垂直断面上的流速，用u=U(y/yw)1/8表示，U为y=hw时的流速，Δp为考虑流线弯曲引起的实测水压力与静水压力之差，近似表示为：
(4)式中：y为距水平台阶表面的距离，hp为底面压力实测值。
4&&台阶式溢洪道的消能率
为求得台阶式溢洪道的消能率，分别取溢洪道上游(水库)和其下游的跃前断面(参见图4)，应用伯努力方程可得到：
(5)这里，ΔΗ1为跃前断面能量损失，H1为跃前断面能量，Hmax为总水头，Hdam为坝高。
& & 方程(1)、(2)分别给出了滑行水流和跌落水流时台阶上的断面比能。对平底水跃消能情况，取H/yc等于H1/yc，则各流况的跃前断面比能就可以表示为：
(6)式中：y1为跃前收缩断面非掺气水深，λ可以从式(3)求得。
& & 由于跃前收缩断面水深值测量会遇到一定困难，因而进一步运用动量方程(7)，通过量测跃后断面水深y２和跃前收缩断面底部压力水头yp，间接求出跃前水深值y1。
(7)由式(5)可得：
(8)在已知坝高(Hdam)和流量(yc)的条件下，分别求解式(5)、(6)、(7) 、(8)，就可以算出台阶式溢洪道的消能率。
& & 图5是θ=19°时滑行水流的消能率[6]ΔH1/Hmax与坝高及台阶高度 变化的关系。由图可以看出，其消能率随相对坝高Hdam/yc的增加而增大；并随台阶高度的增大而增加。由图还可以看出，当h/yc≥0.4～0.5时(即yc/h≤2～2.5)，对不同的相对坝高Hdam/yc，其消能率变化很小，并逐渐趋近于一常数。如 果重新整理其消能率与相对坝高Hdam/yc的关系，当yc/h≤2～2.5时，其变化如图6所示。这时消能率ΔH1/Hmax只是相对坝高Hdam/yc的函数，而与yc/h无关。
& & 图7是倾斜角度θ=19°时台阶式溢洪道中跌落水流和过渡水流的消能率。在跌落水流和过渡水流中，由于台阶上相对水深较小，而且水深变化不大，对一定的斜坡，其过渡的形状基本保持不变，在给定Hdam/yc时，消能率相差很小。
& & 进一步将倾斜角度θ＝19°时的台阶式溢洪道各流况的消能率相比较，如图8所示。对于一定的Hdam/yc，滑行水流、过渡水流和跌落水流的消能率ΔΗ1/Ｈmax相差很小。这是因为在流量相对较小的跌落水流和过渡水流中，即便是流量发生变化，但主流冲击台阶的位置变化不大，因此，在台阶上所形成的三角形区域和形状亦变化不大，对水流的形状阻力影响较小。另外，在滑行水流情况时，当yc/h≤2～2.5时，形状阻力的影响虽然较跌落水流和过渡水流较小，但由于实际流过台阶表面的水深仍然较小，水流掺气非常充分，在台阶隅角形成稳定的，而且很强的旋涡，并在台阶外边缘附近形成随机性的空气层流态。虽然各流况时台阶上的能量H1中其静水头和动水头的比例有所不同[7]，但台阶上的能量H1基本不变，这就使得各流况的消能率几乎一样。
5&&台阶式溢洪道的总消能率
& & 为进一步研究对比台阶式溢洪道在各流况下包括水跃在内的总消能率，试验中使其下游形成临界水跃，然后用测针反复量测跃后水深的平均值，并根据能量方程求其消能率。与式(5) 式(7)类似，跃后断面能量和总消能率可以表示为：
(9)(10)式中：H2为跃后断面上的能量，y2为跃后断面水深。
& & 由图9可见，当斜坡角度θ=19°时，各流况情况下消能率仍然表现出相当好的一致性。台阶式溢洪道总消能率最大可达到95%左右。再将图8与图9比较，可以看出，台阶段部分的消能量最少占总消能量的85%以上，而水跃消能量只占总消能量的10%左右。这说明水跃消能量在总消能率中所占的比重很小，与传统的光滑面溢洪道水跃消能相比差别较大。
& & 文献[6]对滑行水流情况下，不同斜坡角度θ，及yc/h≤2～2.5时的临界水
跃消能率做了对比，也得出了类似的结论。这一结果说明，台阶式消能结构具有很好的消能效果。
& & 本文给出了斜坡角度为θ=19°的台阶式溢洪道在不同流况下能量的计算方法，并在计算台阶式溢洪道的消能率时，考虑了由于跃前流线弯曲引起实际水压变化的影响，提出了临界水跃时统一的消能率公式。通过模型试验对0.156≤yc/h≤0.77的跌落水流、过渡水流和yc/h≤2的滑行水流的消能率进行比较，模型试验结果表明，当斜坡角度θ=19°时，台阶式溢洪道在给定Hdam/yc情况下，0.156≤yc/h≤2时，各流况的消能率相差很小。台阶式溢洪道的总消能率最大可达95%左右，其中台阶段部分的消能率占总消能率85%以上。显示出台阶式溢洪道具有很好的消能效果。
三江口水利枢纽工程泄洪消能试验研究三江口水利枢纽工程位于重庆市彭水县青平乡境内的普子河下游出口处。主要建筑物由混凝土薄拱坝、坝顶泄流表孔、泄洪洞和引水发电系统等组成。最大坝高71．5 m，设计和校核泄量分别为4 990m3／s和7 534 m3／s。泄流冲刷区位于峡谷出口段的颈部，水面宽度只有70～80 m；河床覆盖层厚8～10m，下伏基岩为石英粉砂岩夹有泥质粉砂岩，抗冲能力较差，抗冲流速为5～6 m／s。
　　 该坝溢洪道的布置与陕西省毛坝关水电站和蔺河口水电站有相似之处，就是都采用在坝顶中央布置5个泄洪表孔。这样布置的好处是布置简单、工程造价相对较低。但消能区离坝趾近，必须解决好消能问题，坝后冲刷坑不能危及大坝和两岸的安全。
　　 在表1中列出了三江口、毛坝关及蔺河口表孔最大泄量、泄洪水头和泄流功率的对比情况。从表中可看出，三江口表孔的泄量是蔺河口的2倍多，比毛坝关大1 000 m3／s，泄洪水头比毛坝关大10 m多，而下游河道宽度基本相近。所以在泄洪功率比毛坝关和蔺河口均高出100多万kW的情况下，要解决好三江口的泄洪消能问题，其难度比毛坝关和蔺河口都要大。　　
　　 根据以往解决这类工程泄洪消能问题的经验，确定了解决三江口表孔泄洪消能问题总的思路是：采用高低坎大差动，使水舌尽量在纵向上拉开和横向上扩散；以不冲砸两岸为前提，尽量增大落水面积，使之充满整个河道；设法通过调整各孔水舌的出水方向，出水高度，实现各孔水舌之间的碰撞，以增加消能效果。
　　 按照这一思路，首先以原设计方案为基础，对其布置进行了适当的修改和调整。该方案因其流道相对较长，从堰顶至低挑坎末端，水平距离长达50多m，称“长流道”方案。该方案表孔的布置与毛坝关类似，旨在通过较长的流道将从坝顶下泄的水流送至尽量接近下游水面，让水舌以较小的角度贴近水面射入下游河道，少下潜，减轻对河底的冲刷。该方案1＃、3＃、5＃孔为长流道低挑坎，其末端桩号为坝下0＋042．58 m，出口底板高程为264．25 m（进口堰顶高程为294．5 m）；流道进出口落差30 m；2＃、4＃孔为高挑坎，鼻坎末端桩号为坝下0＋029．0 m，高程为280．99 m。这样布置一是为实现水舌落水在纵向上拉开一定距离，增加入水长度；二是实现高低坎水舌碰撞。该方案的布置见图1，经过修改优化以后的布置见图2。道”方案，其体型布置见图3。该方案的布置特点是5孔流道长度基本相同，各孔之间用墙隔开，形成各自独立的流道，并在2＃、4＃孔流道高程二分之一左右的位置设置了高坎掺气分流墩。其消能原理是：2＃、4＃孔流道过流时，高坎掺气分流墩将来流分成高低两股水舌，并在鼻坎下游空中相撞，形成自身碰撞消能；而碰撞后的水流由于流速降低，落水较近，1＃、3＃、5＃孔水舌落水较远，实现了5孔水舌在河道纵向上拉开一定距离，增大了落水面积；另外2＃、4＃孔出坎水舌由于自身碰撞后的横向扩散，与1＃、3＃、5＃孔水舌再次适度碰撞，又进一步消除了能量，消能比较充分。
　　 经试验，以上两个方案在做了某些修改优化之后，都取得了较好的消能效果，达到了设计所限定的冲刷深度。
　　为了进一步减少工程量、简化结构布置，使泄洪表孔的体型与薄拱坝型更加协调匹配，在以上试验的基础上又设计了一个流道更短的方案，中间3孔末端的桩号缩至坝下0＋19 m，比短流道的方案又缩短了6 m，因此称其为“超短流道”方案。经多次修改优化完善之后的体型布置见图4。该方案最后也较好地解决了泄洪消能问题。不仅冲刷浅，而且冲坑形态好，河中深、岸边浅；而且淤积体离下游泄洪洞出口远，河道流速小、流态好，便于两岸防护；特别是工程量小、结构布置简单，与薄拱坝的体型相配和谐。故最后将其作为推荐方案建议设计采用。
1　长流道方案及冲刷试验结果
　　长流道原布置方案放水后发现存在两个问题：一是右边孔（5＃孔）有一多半位于岸坡上，致使部分水舌落在岸坡上不能归槽；二是2＃、4＃孔（高挑坎）水舌扩散太开，有部分落水直接冲砸两岸。为此进行了如下修改：针对存在的第一个问题，将右孔边墙自坝下0＋020．23 m桩号处开始向河心方向偏折了10．147°角；针对第二个问题，将2＃、4＃孔外侧墩墙延长至高坎末端。经此修改基本上解决了上述存在的两个问题。但放水后又发现，虽然冲坑不太深，但冲坑形态不好：河中冲的浅（只有8．9 m），两岸冲的深（右岸边11 m，左岸边15 m）。经分析认为，这主要是水舌入水后继续向两岸方向扩散所致。为此，将中孔截去了一段，并在两边孔末端加设了外高内低的偏流板，使出坎水舌外侧高，挑得远些，内侧低挑得近些，入水不在同一横断面处，且向河道中心有所偏折，其作用一是调整水舌出射方向，二是增加了水舌沿纵向方向的扩散长度。经上述修改后的体型布置见图2。冲刷试验结果见表2。
　　 从表2可看出，长流道方案经过修改优化后，冲坑位置、形态、冲刷深度都较好，从水力学的角度来看，泄洪消能问题是基本上解决了。但从结构布置上讲，长流道的表孔体型与薄拱坝的厚度相比，很不匹配，有“头重脚轻”之感，挑坎末端比坝趾长出25 m之多，必须在长出的部分从基础开始设支墩，从而增加了结构布置和施工上的难度，并将增加工程量。
2　短流道方案及冲刷试验结果
　　由于长流道方案表孔体型显得太庞大，从结构　　布置和节省工程量的角度来看，表孔流道应该是越短越好。为此结合三江口拱坝的具体条件，借鉴了蔺河口表孔体型布置的成功经验，确定了所谓短流道的布置方案。其具体体型及布置见图3中的实线部分。短流道出口末端的桩号为坝下0＋025．605 m，比长流道方案减少了17 m。在2＃、4＃孔流道中部设置了宽6．5 m的掺气高坎。另外根据长流道方案泄量率定的结果超泄较多，将各孔流道的宽度由14 m缩窄为13 m，表孔右侧边墙适当左移（以防止水舌砸岸坡），而堰面底曲线的型式未变。
　　 经放水试验发现，短流道方案存在两个问题：一是冲坑形态欠佳，河中浅、岸边深；二是右侧边孔还有部分水舌落在岸坡上。针对这两个问题进行了如下修改：在1＃、5＃孔末端加设了倒倾角为45°的偏流扩散器，同时将两侧边孔流道的外边墙相应地延长至偏流扩散器的末端（即坝下0＋28．605 m），另将5＃孔外边墙自坝下0＋014 m桩号起向河心方向偏折10°角。修改部分见图3虚线所示。经此修改后，解决了原来存在的两个问题。修改后冲刷试验的结果见表3。
　　 将表3与表2对比可看出，冲坑位置变化不大，河中冲刷深度也基本相同，最深不超过15 m；但短流道方案岸边冲深更浅，约比长流道方案浅2～3m，最深不超过7 m，一般在6 m以下。所以短流道方案比长流道方案泄洪消能效果还要更好一点。
3　超短流道方案及冲刷试验结果
& &短流道方案试验的成功进一步验证了蔺河口坝顶表孔布置方案的正确性，并在蔺河口布置模式的基础上又有所改进：在两侧边孔挑坎的末端增设了所谓“偏流扩散器”，使水流向河中偏转扩散，减小了岸边冲刷，使冲坑形状更优，呈河中深、两岸边浅的漏斗形。在结构上，由于流道短了，可取消流道下游部分的支墩，而改用坝身悬臂结构。
　　 在短流道方案流道出口部分改用悬臂之后，悬臂与坝体下部的厚度相比，仍显过长；而且在过大流量（设计和校核工况）所形成的冲刷淤积体已接近泄洪洞出口位置，可能会影响泄洪洞出流。鉴于短流道方案尚存在这些不足，促使开展了流道更短方案的研究，以求“锦上添花”，这便是“超短流道”方案。
　　 所谓超短流道方案是在短流道方案的基础上将中间3孔流道末端的桩号定在坝下0＋19．76 m，比短流道方案又缩短了将近6 m。由于流道底曲线未变，所以出口末端的高程由275．48 m抬高至280．31 m，比短流道方案抬高了近5 m。由于流道变短、高坎分流墩的位置也较短流道方案上移了2 m，位于坝下0＋006．0 m桩号处；而高坎反弧半径仍为r＝4 m，出射角仍为30°，这样高坎分流墩出口的高程提高至288．61 m。高坎下游低坎的反弧起点、半径、出射角也做了相应调整。该方案经多次修改和优化，最后的体型布置见图4和图5。在修改和优化的过程中，中间一孔末端加设了曾在蔺河口试验中使用过的斜切圆柱形挑坎，以增加水流的扩散；在两侧边孔末端的三角形偏流扩散器上又外接了一块弓形板，进一步增加了水舌偏转扩散的效果。
　　 经过修改优化后的超短流道布置方案最后也取得了成功，除了冲坑位置比短流道方案略靠近上游外，冲坑形态和深度基本上与短流道方案相同；而淤积体的位置也相应有所上移，距泄洪洞出口相对较远，完全不影响泄洪洞出流。而该方案最大的优点是由于流道最短，为采用悬臂结构创造了良好的条件。因此，将该方案作为推荐方案建议设计采用，并对该方案在泄放同一流量时的运行组合方式进行了较为详细的放水试验，其结果见表4。　　
　　 从表4可看出，除超泄和校核工况及设计工况组次4的运行组合情况外，河中冲深最大不超过15．5 m，岸边最大冲深一般在7 m以下。泄放洪水时应尽量避免组次4的运行工况。另外从表4还可看出一个规律，凡是2＃、4＃孔局开的运行组合（如组次5、8、10等）冲深都相对比较浅，冲坑距坝址相对比较远，建议表孔按5、8、10的闸门开启方式进行运行。
　　（1）三江口水利枢纽依照长流道→短流道→超短流道的顺序进行了3种表孔布置方案的试验，通过修改优化，3种布置方案最后都较好地解决了泄洪消能问题。3种布置方案之所以都能较好地解决
消能问题，首先得益于以前在解决毛坝关、蔺河口泄洪消能问题时所取得的成功经验。这次三江口大坝表孔泄洪建筑物的布置，长流道方案基本上参照了毛坝关的布置方式，短流道和超短流道方案是参照蔺河口的布置方式。
　　 （2）无论是毛坝关、蔺河口、还是此次试验所研究的三江口，其表孔布置都有一个共同特点，就是各孔间隔采用高低坎大差动的布置方式，其中高坎流道较短，落水较近，低坎流道较长，落水较远，这在一定程度上增加了沿河道纵向的落水范围；另外最主要的是高低坎水舌在出坎后形成碰撞，从而消掉了大量的能量。这是3个工程都能最终较好地解决泄洪消能问题的根本原因。
　　 （3）虽然都是采用高低坎碰撞消能的方式，但蔺河口，以及三江口短流道、超短流道的表孔布置方式与以往的高低坎布置方式又有所不同。以往的布置方式是不同孔道的末端采用高低坎，是不同孔道出流的水舌产生碰撞，因此要不同孔道的闸门必须同时开启才能产生碰撞，否则很可能形成水舌冲砸岸坡的危险，在运行要求上限制很严。而蔺河口和三江口短（超短）流道的布置方式，是在各孔道之间设隔墙，使之成为独立的孔道；而高坎是设在同一孔流道的中部，其宽度大约是孔道宽度的一半，这样高坎又起分流的作用，即将该孔下泄的水流经高坎分成二部分：一部分从高坎顶通过并扩散，一部分从高坎两侧通过（所以称这种高坎为高坎分流墩）。这两股水舌在出坎后形成碰撞消能，碰撞后的水舌扩散后又第二次与邻孔的水舌形成第二次碰撞，从而进一步提高了消能效果。这种布置的另一个好处是运行安全。因为这种布置高低坎碰撞是在同一孔道的水流之间进行，只要闸门一开，即可形成高低坎碰撞消能，无须担心不同孔道的闸门由于开启不同步而使水流溅射到两岸，因而运行更加灵活方便。这种布置方式，在蔺河口是首创，这次在三江口试验中又得到了证明和进一步完善。
　　 （4）三江口比蔺河口又前进一步主要表现在在两边孔末端增设了偏流扩散装置，称之为“偏流扩散器”，其作用是偏流和扩散：一是使出坎水舌向河心偏转，使水舌不砸岸边，这样就可调整落水分布，使冲坑形状得到改善，形成河中深、岸边浅的漏斗形冲坑，有利于岸坡稳定及防护；二是使水流进一步撒开，增加了入水面积，减轻了冲刷。