第六节　消力池布局与辅助消能工

§6.Arrangement of stilling basin and auxiliary energy dissipators

一、消力池的作用和布局

水跃消能为底流消能型式，借助池中水深的阻挡使急流突然转变流态形成水跃，通过水流内部旋滚的剪切、紊动和掺混作用，使大部分动能转换为热能和位能达到消能的目的，是比较可靠的急流消能方式，消能率高达2/3；同时水流平面扩散也能助长消能，据分析，三元扩散水跃比矩形槽中的二元水跃消能率高约15%。底流式水跃消能不仅效果好，而且还有适应性强、流态稳定、尾水波动小、进入尾渠的缓流流速分布均匀以及维修费用低等优点。因此，底流消能方式在各种地质条件下的不同泄水建筑物中都有采用，特别对减轻土质河床的冲刷尤为必要。

由于水跃消能主要靠旋滚水流内部在相对流速的剪切力做功并转化为热，因而消力池的形状就需要适应这一要求。例如池底宜做成逐渐升高的曲线形以适应旋滚的形成，这种池形也就演变为戽斗式消能。对于扩散水跃来说，要求中部水深大于边部，所以又有人提出汤匙勺子形的消力池，但由于施工不便，还没有被重视，只有在地形有利时才被采用，例如河北省朱家庄水库溢流坝下游消力池就接近勺子形，模型试验表明消能效果很好。按照水跃强烈旋滚消能的要求也可推知，适度的两级消力池往往比一个大体积池的消能效果更好，因为池中过度水深还会使急流潜底射出，达不到池中消能的目的，而且试验证明将一级池改换为二级池还可以减少产生波状水跃的几率，如图2-32所示。

若在池中加设消力槛、齿、墩等辅助消能工，不仅能使池深减少10%～15%，而且能强迫水跃缩短1/3左右。但为避免出池水流的波动，设计池长可稍长于计算值的10%或0.5h2左右，h2为池中共轭水深。没有辅助消能工的平底及斜坡消力池水跃消能扩散已在本章第五节论述，下面再介绍包括尾槛、平台小槛等在内的各种辅助消能工和池底厚度要求。这些对经济合理的设计和补救消能工程之不足有重要意义。

二、消力池尾槛[7]

消力池尾槛的作用在于控制水跃长度，逼高池中共轭水深，促使水跃扩散，使出池水流挑向水面以及避免槛脚处的河床淘刷等。若尾槛太低，作用固然不大；但过高又将造成槛后跌流或二次水跃，这样就需要加强槛后护坦再过渡到块石海漫，并应于坦末设第二道槛。为避免跌流这种不良现象，应使槛顶水深大于越槛水流的临界值，从而得出尾槛高出下游河床（图2-33）的上限为

式中　α'、q——流速分布不均匀的动能修正系数、单宽流量，且α'、q依赖于消能扩散情况，一般可设α'=1.5的同时，用过闸出流单宽流量q0代替越槛单宽流量q来计算；

h3——槛后河床上尾水深。

根据各闸试验资料分析尾槛高度，多采用P'/h3=0.1～0.3。冲刷比较试验的结果说明无尾槛冲刷严重，而尾槛过高则会使冲刷更加严重。因此，采用式（2-59）确定适宜的槛高是必要的。

尾槛形式以迎水面直立的连续实体槛作用较大。雷巴克齿形尾槛只有在浅水时有使出池水流均匀的优点，它对水跃计算的影响相当于上、下齿平均高度的实体槛。有时也可把直线尾槛改为折线或弧形尾槛，以利于水流扩散。

弯道上的消力池尾槛则必须考虑水流的离心力作用所造成的越槛不均匀流量分布，特别是水库侧岸溢洪道，水流经常绕过弯道泄入河道，此时弯道急流进入消力池将偏冲一侧，池中另一侧形成回溜还会造成堆丘，如富水电站溢洪道的消力池，弯道水流偏右侧，左侧堆丘高3.5m，迫使过流宽度缩窄1/3以上。因此必须设计倾斜高度不同的尾槛以及左、右高程不同的倾斜池底，使越槛水流基本均匀，甚至再于尾槛后布置消力墩或二级池使进入下游河道的水流更趋均匀。

关于有尾槛时水跃共轭水深的计算（图2-33），考虑到越槛水流的水面跌落，并在应用尾槛下游尾水位方便的原则下，认为槛前迎水面是静水压力分布，槛后只计槛顶以上部分水体流动时，则取槛前与槛后两断面列动量方程式，为

若设尾槛以后翼墙不再继续扩张，即q2=q3，则v3=q2/h'3，v2=q2/h2，以及q2=q1（b1/b2），代入上式略加整理，可得

式（2-60）与扩散水跃公式（2-40）联立求解，或直接查图2-18中的h2/h1值代入式（2-60），就可求得h'3/h1值。为避免试算麻烦还可计算一套关系曲线，如图2-34所示为b2/b1=2的情况。又若式（2-60）对h'3/h1求导数，即，则可确定最小Fr1的分界线为

或

式中（h'3）c、（h1）c——水流在尾槛后、水跃前的临界水深。

结合P/h1=0的分界线，可把水流划分成三个区域（图2-34）。同时应注意P/h1=0的线，其计算值与式（2-41）的计算结果相同。而当b1=b2时就变成二元水流的特例。

关于扩散水跃受尾槛作用的验证资料也绘入图中，结果相当一致。同样也可绘出b2/b1=3等的曲线图，供设计时查用。

三、出流平台小槛[1]

在闸孔出流平台末端加小槛是消减波状水跃和折冲水流危害的简单消能工，它使急流挑起转向，然后下跌入池能改变原来的波状水跃为潜没水跃，达到利用池中深水充分消能和扩散的目的，如图2-35所示。

因为平台末端跌坡的存在，底流边界突变加深有助长急流波动的作用，较之沿平底急流有更大的尾水位范围适应于产生波状水跃。若加设小槛就能使产生波状水跃的尾水位范围显著缩小，如图2-35所示。关于跌坡前平台上水跃的共轭水深关系，可参见第三节降台阶情况的式（2-27）及式（2-28）。

出流平台上加小槛还能改善开闸始流情况和间隔开启闸门时的水流条件，有利于闸门管理。但应注意结构上的牢固，使小槛与底板联成整体。槛迎水面做成流线形可以减轻受出闸射流的冲击力和空蚀损坏。对于平原水闸，在小槛附近设渗流排水时则宜布置反滤排水出口于小槛的下游。至于小槛的高度则与闸孔出流的弗劳德数、出流水深及尾水位有关，一般为出流水深的1/4左右，实用为0.5～1m。

针对不同的出闸水流，在出流平台上可以设置不同形式的小槛，如W形的曲折槛、弧形槛以及在间隔或个别开闸门出流处设置人字槛、分水槛或排齿等均能取得良好的消能扩散效果。

同理，如图2-1（b）所示，溢流堰式闸的小坝也有消减波状水跃的功能。试验证明，堰式闸可利用闸室作为消力池的一部分，消减波状水跃的危害，也可控制底沙进闸，还可将坝体做成辛可夫式空心坝以节约混凝土，所以不失为一种好的闸型。

四、辅助消能工

消力池中或护坦上加设辅助消能工，使之在尽量短的距离内达到消能扩散的目的，已成为近年来消能研究的一个方面。目前流行的几种定型消力池就是根据不同的辅助消能工布置而成。例如1948年美国明尼苏达大学圣安东尼瀑布水工试验室（简称S.A.F.）首先提出的消力池，是由一排趾墩、一排消力墩和护坦末端的一道实体尾槛组成。20世纪50年代初美国垦务局水工试验室（简称U.S.B.R.）根据系统的模型试验资料，又提出3种定型消力池（图2-36）作为标准设计（其中C型池与S.A.F.类似），其弗劳德数的限制和池长见表2-1。而后又有不少新池型问世，如印度的U.P.I.R.I.型消力池等。

显然，上述定型消力池不外乎由趾墩、消力墩和尾槛等辅助消能工组成。实践表明，在其适用范围内，对于稳定水跃、提高消能效果和缩短池长等方面确有作用。当尾水浅、水跃发生于坡脚时，趾墩则有吸住跃头的作用；但是在低弗劳德数情况下（Fr1=2.5～4.5），趾墩对下游冲刷又几乎没有影响。因此，对于中低闸坝工程似可不加趾墩以降低造价和方便施工，只要把跃首控制在斜坡末端便可稳定水跃。对于高水头（高于20m）的消力池，若设墩齿，特别是趾墩，由于墩尾水流形成马蹄形立轴漩涡容易发生空蚀，应设法防止。

此外，对于下游水深特大的广阔水面，文献[1]早已总结出的消力梁、消力栅以及利用闸墩的墩尾微曲导流扩散等特殊消能工，近年来随着结构设计的不断完善，也日见采用。据内蒙古河套灌区50座水闸的统计资料，有90%的水闸下游处于波状水跃或弱水跃之间，Fr1=1～2.3，消能效果差，下游出现不同程度的冲刷，因而从1984年起，分别采用了筛梁式消能工（图2-37）和曲折小槛（图2-38）兴建和改建了20余座水闸，消能效果显著，下游冲刷坑已基本淤平[13]。