第十节 挑流及自由跌流消能
§10.Energy dissipation of ski-jump and free over fall jet
对于修建在岩基上的高、中水头泄水建筑物，国内外采用鼻坎挑流消能方式日益增多。这种消能方式具有结构简单、工程量小和投资省等优点。但对下游冲刷区的地质条件要求较高，并须注意下游的冲刷坑不致危及大坝安全，以及两岸的岸坡稳定。同时，对于水花飞溅及雾化影响等问题，也应给予重视。关于岩床冲刷深度、冲坑位置及防冲措施等问题，在第三章中有论述，这里仅对挑流消能工形式（包括自由跌流）及消能量的估算作些介绍。
一、消能工形式与消能特点
1.各种类型鼻坎挑流消能
泄洪建筑物末端的挑流坎体型是挑流消能的关键。由于高速水流具有灵敏性，故可利用水流导向和水股变形，对高速水股进行定向抛射，达到空中扩散消能并在适宜的下游河床进入水垫。我国20世纪50年代在佛子岭连拱坝泄洪管出口首次修建扩散式挑坎，使射流于空中得到充分扩散，消能效果显著[20]。但放水时细雨纷飞，影响附近电厂的工作条件。挑流鼻坎形式繁多，其中以等宽连续式、矩形齿槽差动式、梯形扩散差动式和扭曲式等4种鼻坎，应用最为广泛，见图2-56。
图2-56 挑流鼻坎体型示意图
连续式鼻坎构造简单，但挑流时水股密实集中，在高水头、大单宽流量情况下，下游河床冲刷较深。例如丹江口溢流坝末端挑角30°，松涛水库溢洪道末端挑角15°等工程均为连续式挑坎，下游河床断层带均有较深冲坑。齿槽差动式鼻坎由于水股在空气中的紊动掺气以及在水下的淹没扩散，对减轻下游的冲刷有利，但需注意避免齿槽的空蚀破坏。
我国20世纪50年代首次在狮子滩水电站溢洪道采用矩形差动式挑流坎，挑角分别为30°及26°，运行良好[21]。但河床为砂质黏土，抗冲力差，冲刷坑有所发展。柘溪水电站溢流坝原采用矩形差动式坎，侧面发生严重空蚀，后改为梯形差动式坎，抗空蚀性能有所提高，可视为齿槽式鼻坎的一种改进体型。目前很多高坝如梅山、乌江渡等都采用了差动式挑流坎，而且，还有高坎扩散、低坎收缩的差动式挑坎等。
图2-57 三门峡水库泄洪洞扩散扭曲鼻坎[20]
（单位：m）
对于岸边泄洪建筑物，需要使射流转向入河，则有斜挑坎和扭曲式鼻坎，可避免岸坡遭受冲刷。如我国三门峡水库增建的两条左岸泄洪洞，末端设置扩散式斜挑扭曲鼻坎（图2-57），运行实践表明，挑射水股向右扩散情况良好。
2.两侧滑雪道式溢洪道对撞消能
两侧滑雪道式溢洪道对撞消能形式是利用水股在空中对撞消能，从而增大空中的消能作用，同时将密实集中水流分散成多股水流下落，从而减轻下游河床的冲刷。我国东江等水电站曾采用这种消能形式。
3.高低坎上、下挑流对撞消能
高低坎上、下挑流对撞消能形式的作用原理同上述第二种消能形式类似。其目的都是为了加强空中的消能作用。流溪河拱坝是我国较早采用高低坎上、下对撞消能的实例（图2-58），它使入水最大流速由30m/s减少到20m/s，对减轻下游河床的冲刷有明显效果。
4.溢洪道或拱坝上设置巨型分流墩
分流墩消能形式是将溢流面上的射流撕裂，掺入大量空气后，再挑射出去，对消能防冲有一定作用。如巴西依哈索尔台拉（Ilhasolteira）溢流坝上设置了一种新型的薄而高的分流墩，兼有防空蚀和消能作用，见图2-59。此外，我国河南宋家场溢洪道布置了一排大型砥柱墩（类似于分流墩），也收到同样消能效果。
图2-58 流溪河拱坝高低坎上、下对撞消能
图2-59 巴西依尔哈索尔台拉溢流坝分流墩示意图
5.窄缝式纵向扩散挑流消能
窄缝式纵向扩散挑流消能是一种适用于狭窄河谷的新型消能形式。其特点是将过水宽度在挑坎出口缩窄，促使水流在纵向充分扩散，从而拉开射流上、下缘间距，增大水流与空气的接触面，使之大量掺气，空中消能率显著增加，且入水面积较等宽挑坎增大较多，对减轻下游河床冲刷有明显的作用，是一种很有发展前途的新型消能工。我国龙羊峡水电站的溢洪道就是采用这种消能工，见图2-60。
6.利用宽尾墩挑流消能
宽尾墩消能形式的工作原理与窄缝式挑流相近，都是促使水流的横向收缩，增强竖向扩散。而宽尾墩还使水流在坝面上互相撞击并掺气，进一步消耗水流的能量。我国潘家口水库溢流坝是利用宽尾墩挑流消能的实例（图2-61），从而较好地解决了溢流坝下游冲刷问题。
图2-60 龙羊峡溢洪道窄缝鼻坎体型图
图2-61 潘家口宽尾墩溢流坝断面图
7.坝顶自由跌落水垫池消能
这是溢流拱坝常用的消能方式。除第三章所述的卡里巴拱坝外，1968年美国的莫西罗克双曲拱坝也采用这种消能方式。该坝高185m，泄洪流量7800m3/s，单宽流量170m2/s。布置特点是坝顶挑坎短小，射距相应亦小。因此，入水角度大，冲坑位置靠近坝脚，故须在坝脚处有足够的水垫深度和较好的基岩条件，见图2-62和图2-63。
图2-62 莫西罗克拱坝溢流段剖面
图2-63 莫西罗克拱坝水垫池
综上所述，消能工体型的选择应结合坝型、枢纽布置、河谷地形、基岩及水流条件等综合考虑，以便得出理想的体型布置。
二、挑流消能能量损失的计算
挑流消能的能量损失，可分为坝面、空中及下游水垫三段来考虑，如图2-64所示，文献[20]对此三段的能头损失分别以ΔE1-2、ΔE2-3、ΔE3-4表示，即
式中 φ1、φ2——断面（2）、（3）的流速系数；
Z——鼻坎起始断面至下游水位的高程差；
d——断面（2）的不掺气射流水深，此水深可引用式q=v2d计算；
h2——下游尾水深度；
α1、α2、α3——断面（2）、（3）、（4）的流速水头校正系数，一般取α1=α2=α3=1.1。
关于流速系数φ1有很多人进行过研究，分别提出过很多算式。其中，文献[22]根据原型观测资料反求所得的φ1为
式中 Z'、B'——坝顶至鼻坎的垂直距离和水平距离，m。
式（2-79）适用范围为q2/3/S=0.025～0.25，当q2/3/S＞0.25时，可取φ1≈0.96。
关于φ2的算式，可采用文献[20]提出的
式中 K——流速系数校正值，略小于1。
对于等宽连续式鼻坎挑流，根据国外的原型观测结果，射流在空中消除的能量仅为总能量的20%左右，能量主要是在下游水垫内消除，与上述计算结果略相近。