第五节 水工建筑物的流体作用

作用在水工建筑物上的流体主要是水。水对水工建筑物的作用主要表现有：水的推力作用、波浪作用、动水作用、冲刷作用等。

一、静水作用

不流动的水作用在建筑物上的压力，称为静水压力。静水压力是表面力。水工建筑物建成以后，在不同程度上抬高了河道水位。这时，水工建筑物需要承受较大的静水压力，特别是挡水建筑物。

静水中，任一点的压力即为该点的压强，也称为点压力。水下任一点的压力值为

式中：γ_w为水的容重，γ_w=9.8kN/m³；h为计算点在水下的深度，m。

点压力是矢量。水下某点的静水压力值在该点的任何方向上都是相同的。建筑物挡水后，静水压力的方向垂直作用于建筑物表面。对于曲线表面，静水压力作用于该点的法线方向。

建筑物表面承受的总静水压力为

作用在建筑物表面上的总静水压力的方向为各点压力的合力方向。在水工建筑物的静水压力分析和计算中，为方便起见，常将其分解为水平水压力P_x和垂直水压力P_y。根据力的分解原则，水平水压力的分布图形为三角形，作用水头为H时，。垂直水压力分布图形为建筑物被作用面与其在水面的投影面所包围的曲线梯形。垂直水压力的值等于曲线梯形面积A所包围的水体重量，也称为水重，P_y=γ_w A，在压力分布图上，各分力作用点通过该分布图形的形心。因此，合力作用点通过合力分布图形的形心。

图3-14为静水压力作用示意图。图3-14（a）为垂直坝面承受的水压力，P_y=0；图3-14（b）为作用在弧形闸门上的水压力，垂直水压力的方向向上。

二、动水作用

水是流体。在压力梯度或水力坡降的作用下，水体产生流动。动水作用是水体在流动过程中对建筑物产生的作用。动水作用对水工建筑物产生的作用力包括：水体在其流动边界上产生的摩阻力、建筑物过水表面上的壁面动水压力、泄水建筑物在抛射水流时产生的反作用力、地震时建筑物表面因振动产生的动水压力等。

1.水流结构

一般而言，水是黏性不可压缩流体。黏性水体流动分为层流和紊流两种流态。在水工建筑物中，水流的雷诺（Reynolds）数多在10⁵以上，属于紊流流动。

紊流结构由不同尺度的涡体组成，这些涡体的生成与水流雷诺数、水流流速梯度以及流动边界条件有关。边壁在紊流涡体的生成和传输中起了重要作用，边界处不断生成小涡体，并在向水体内部的传输过程中，或耗散消能，或与邻近涡体合并成大涡体。涡体在时间和空间中作非线性的随机运动。大涡体的脉动周期长，振幅大，频率低，含有的能量大，对建筑物的作用影响也大，大涡体在传输、旋转过程中分裂时，将能量传给小涡体。小涡体旋转周期快，频率高，与周围流体之间流速梯度大，黏性剪切力作用也大，能量耗散快，所以能量损失主要通过小涡体的黏性作用完成。涡体的最大尺度与流场边界的特征长度同数量级（如消力池内水跃的横轴漩涡与水深相同），最小尺度约为1.0mm。紊流涡体在混掺传输过程中产生雷诺应力，并消耗能量。实验表明，同样条件下紊流的能量损失比层流大许多。

2.动水压力

淹没在流动的水体中的建筑物，其表面承受的水压力，称为动水压力。

长直渠道（河道）均匀流的动水压力分布规律与静水压力相同。一般来说，过流边壁变化或水面曲线弯曲变化时，会导致壁面动水压力发生一定的变化，致使动水压力分布与静水压力分布有所不同。在渐变流中，动水压力分布形状接近于静水压力分布，如输水渠道、溢洪道泄槽的长直段、天然河道等。在急变流中，由于流线弯曲，动水压力变化较大，如溢流堰面、孔口渐变段、反弧段、弯曲段等。一般来说，过流边壁内凹时，动水压力大于静水压力；反之，动水压力小于静水压力。

目前国内常用的表孔溢流曲线为美国垦务局提出的WES曲线，曲线方程为x^1.85=2.0，H_d为堰面曲线定型设计水头。WES曲线根据薄壁堰泄流时的水舌下部水流曲线拟合而成（图3-15）。当溢流堰堰上工作水头与堰面曲线定型设计水头H_d相等时，过堰水流形态与薄壁堰水流形态相同，混凝土堰面上的压力分布与自由水舌相同，等于大气压力，无负压出现。所以，WES曲线是一种非真空曲线。

薄壁堰的溢流水舌能够随着堰上工作水头的变化而变化。但混凝土溢流坝的堰面曲线只能按某一定型水头设计，固定不变，不能随上游水位而变化。当上游水位下落，堰上工作水头低于定型设计水头时，堰面混凝土顶托水舌下降，使坝面压力增加。这时，堰面曲线对水流自由下泄有影响，使其泄流能力下降。当堰上工作水头超过设计定型水头时，溢流面与水舌之间因缺乏空气而强迫水流紧贴坝面流动，坝面将出现负压。负压的存在可以增大泄流能力。但负压也可能导致坝面产生空蚀破坏。为了既保证泄流能力，又避免产生过大负压，可以采用溢流堰的常遇洪水水头为堰面曲线的定型设计水头。

泄洪洞的进口段，水流急剧收缩，流线弯曲。同样的道理，合理的体形曲线可以提高泄流能力，避免不利的负压。

图3-16所示为溢流坝泄水时作用在坝面上的动水压力。这些压力一般通过水工试验确定，也可按以下方式作近似计算。

（1）作用在上游面上的水压力仍按静水压力计算，在溢流堰顶以下部分呈梯形分布。

（2）将坝面划分为AB、BC、CD、DE诸段。

（3）AB为上游直线段，可假定其上的法向水压力强度仍按式（3-37）计算（算出的压力稍偏大）。

（4）BC为溢流曲线段，其上存在着不大的压力或吸力，通常忽略不计。

（5）CD为下游直线段，可假定其上作用有均匀的法向压力p。

式中：d为该处水舌厚度，m；φ_d为CD段与铅垂线的夹角。

（6）DE是下游反弧段。可假定其上承受均匀的法向压力p。当溢流水舌较薄时，可假定各点水流均作圆弧流动，其曲率半径均为R，按动量方程可推出在反弧段上的合力分量为

式中：q为单宽流量，m³/（s·m）；v为反弧段上的平均流速，可近似按能量方程推算，m/s；θ和θ′分别为反弧段起始半径和末端半径与铅垂线间的夹角，（°）。

反弧段半径R一般为（4～10）h（h为反弧段上最低点处的水深），流速较大时宜取较大的反弧段半径，m；g为重力加速度，m/s²。

上述压力值系指时均压力，未包括脉动成分。近年来的试验证明，脉动压力的幅度约占流速水头的2.5%～5%，故其绝对值不大，在坝体稳定或应力计算时常予忽略，但在设计护坦等时应考虑。

合力P和V可以近似作用于反弧中点。

三、波浪作用

水库水面在风的作用下生成风浪，对坝面产生浪压力。

波浪的几何要素如图3-17所示。波浪的高度系指从波峰到波谷的高差，波浪的长度为波峰到波峰的距离。在自由库面上，波高为h（经验计算公式中常采用具有一定累积频率的波高h_p或者平均波高h_m），波长为L（经验计算公式中常采用平均波长L_m）。波浪的中心线与静水面并不重合，而是高于静水面，从而产生一个壅高h_z。波浪的波长、波高和波浪中心线壅高合称为波浪的三要素。在土石坝和水闸设计中，还引入了与平均波长相对应的平均波周期T这一要素。

波浪三要素与风速、吹程和水深有关。风速越大，激起的波浪越大。吹程越长，波浪沿程叠加，能够激起更大的波浪。因此，波长、波高和中心线壅高就越大。

波浪在运动过程中，还可能因水深不够而受到影响。根据波浪运动受库底的影响程度分为深水波、浅水波和破碎波。当坝前水深大于半个波长，即时，波浪运动不受库底的约束，称为深水波；当坝前水深小于半个波长而大于临界水深H_k，即H_k&lt；H₁&lt；时，波浪运动受到库底影响，使波速降低，波长缩短，波浪中心线壅高增大，称为浅水波；当坝前水深小于临界水深H_k，即H₁&lt；H_k时，波浪发生破碎，称为破碎波。

图3-18为不同情况下的波浪压力分布。波浪运动到水工建筑物前，受到建筑物的阻挡而终止。当建筑物的迎风面为垂直面时，波浪撞击在壁面上产生反射波。反射波与入射波叠加产生驻波。驻波波高为风成波波高的两倍。当建筑物迎水面为倾斜面时，波浪因惯性沿斜面向上爬，驻波和波浪爬高均会在建筑物上产生波浪压力。

对于高坝和中等高度的坝，浪压力在全部荷载中所占比重甚小，通常可以忽略不计。但对于低坝、水闸、闸墩、胸墙、表孔闸门等结构，浪压力常占相当比重，设计时必须加以考虑。由于影响波浪的因素很多，目前主要用半经验公式来确定波浪要素。

（一）波浪要素计算

1.官厅水库公式

该公式为SL 319—2005《混凝土重力坝设计规范》、SL 282—2003《混凝土拱坝设计规范》、SL 274—2001《碾压式土石坝设计规范》、DL/T 5395—2007《碾压式土石坝设计规范》推荐，适用于内陆峡谷水库，吹程D＜20km，风速V＜20m/s。

式中：h_p为累积频率为P的波高，当=20～250 时，为累积频率5%的波高h_5%，当=250～1000 时，为累积频率10%的波高h_10%，m；L_m为平均波长，m；V为水域上空10m高度处10min 平均风速的年最大值，m/s；D为库面的波浪吹程，m；H₁为坝前水深，m。

累积频率为P（%）的波高h_p与平均波高h_m及风区水域平均水深H_m的关系见表3-1。

平均波长L_m与平均波周期T_m可按式（3-45）换算。

对于深水波，即当H₁≥0.5L_m时，式（3-45）可简化为

使波浪破碎的临界水深H_k由下式计算

库面的波浪吹程D，通常取为从坝算起沿库水面直到对岸的最大直线距离［图3-19（a）］；当库面特别狭长时，以5倍平均水面宽度为限［图3-19（b）］；当沿风向两侧水域较狭窄或水域为不规则形状或有岛屿等障碍时，可采用等效风区长度（详见相关设计规范）。

2.鹤地水库公式

该公式为SL 319—2005《混凝土重力坝设计规范》、SL 274—2001《碾压式土石坝设计规范》、DL/T 5395—2007《碾压式土石坝设计规范》推荐，适用于库水较深的丘陵平原地区水库，吹程D＜7.5km，风速V＜26.5m/s。

式中：h_p为累积频率2%的波高h_2%；其余符号与官厅水库公式相同。

3.莆田试验站公式

该公式为SL 274—2001《碾压式土石坝设计规范》、DL/T 5395—2007《碾压式土石坝设计规范》、SL 319—2005《混凝土重力坝设计规范》和SL 265—2001《水闸设计规范》推荐，适用于平原、滨海地区水库。

式中：h_m为波浪的平均波高，m；T_m为平均波周期，s；H_m为水域的平均水深，m。

（二）浪压力计算

1.混凝土拱坝

（1）对于坝前水深的深水波，在静水面以下半波长处，波浪压力很小，为简化计算可假定等于零，而静水面处波浪压力最大，如图3-18（a）所示。单位坝段宽度的波浪压力为

可以简化为

（2）对于坝前水深H₁满足H_k&lt；H₁&lt；的浅水波，上游坝踵处的波浪压力不应忽略，如图3-18（b）所示，单位坝长上总的波浪压力为

可以简化为

式中：p_s为坝踵处波浪压力的剩余强度，其值为

若坝的迎水面倾斜，波浪的反射作用将减弱。通常认为，当坝面与水平面的交角大于45°时，波浪的性质与坝面为铅直时的情况接近；小于45°时，则应按斜坡上的波浪考虑。

2.混凝土重力坝

同样采用式（3-52）～式（3-56）计算浪压力，但h_p=h_1%。

3.水闸

首先根据表3-2得到不同级别水闸的波列累计频率P（%）。

然后根据平均波高h_m和累计频率P（%），查表3-1得到相应的波高h_p。

当H₁≥H_k和H₁≥时，波浪形态为深水波，浪压力分布如图3-18（a）所示，浪压力按式（3-53）计算。当H_k≤H₁&lt；时，波浪形态为浅水波，浪压力分布如图3-18（b）所示，浪压力按式（3-55）计算。

当H₁&lt；H_k时，波浪形态为破碎波，浪压力分布如图3-18（c）。浪压力按式（3-57）、式（3-58）计算。

式中：P_j为计算水位处的浪压力强度，kN/m²；η为闸门底面处的浪压力强度折减系数，当H₁＞1.7（h_p+h_z）时，取η=0.5，否则取η=0.6；K_i为闸前河床底坡影响系数，按表3-3采用，表中i为闸前一定距离内河床（或渠道）底坡的平均值。

4.土石坝

SL 274—2001《碾压式土石坝设计规范》和DL/T 5395—2007《碾压式土石坝设计规范》推荐，波浪中心线壅高h_z的计算公式为

式中：K为综合摩阻系数，K=3.6×10^-6；β为计算风向与坝轴线法线的夹角。

首先根据工程等级确定设计波浪爬高值的累积频率，1级、2级和3级坝采用累积频率为1%的爬高值R_1%，4级和5级坝采用累积频率为5%的爬高值R_5%。

正向来波在单坡上的平均爬升垂直高度R_m（从静水位算起），称为波浪爬高。记m为坡度系数，当m=1.5～5.0时，计算公式为

式中：R_m为平均波浪爬高，m；K_Δ为考虑坝面糙率及渗透性的系数，按表3-4采用；K_w为经验系数，按表3-5采用。

当m≤1.25时，平均波浪爬高的R_m计算公式为

式中：R₀为无风情况下，平均波高h_m=1m时，光滑不透水护面（K_Δ=1）的爬高值，按表3-6采用。

求出R_m后，根据表3-7，即可求得所需概率的爬高R_P。

作用在土坝坡面表面上的浪压力分布如图3-20所示，最大作用点Z的压强值（kN/m²）按下式计算

式中：h_s为有效波高，可取累计频率为14%的波高h_14%，m；K_p为频率换算系数，取K_p=1.35；K₁、K₂、K₃为系数，K₁按式（3-63）计算，K₂按表3-8取值，K₃按表3-9取值。

图3-21中，Z点在计算水位以下的垂直高度Z_z和l₁、l₂、l₃、l₄可按式（3-64）和式（3-65）计算。

当计算出的Z_z为负值时，取Z_z=0。

四、冰作用

有静冰压力与动冰压力两种。江河渠湖或水库等水面结冰后，因温度升高冰层膨胀而对建筑物产生的压力称为静冰压力；流动冰块对建筑物撞击时的作用力称为动冰压力。

影响静冰压力的主要因素有起始冰温、冰温上升率、升温持续时间及建筑物对冰层的约束条件等。

冰压力对中等以上高度的坝并不重要，但对低坝、水闸、闸墩、胸墙、取水塔、坝面护坡等往往是比较重要的荷载。例如，20世纪30年代黑龙江省的一座高7m的混凝土坝，被厚达1m的冰层推断。因此，许多工程都在容易被巨大冰压力破坏的部位如闸门、进水口等处，采取防冰、破冰等措施。

由于土石坝坝体断面较大，冰压力对大坝整体不会产生破坏，但冰压力可能会对坝面护坡造成破坏，因此选取严寒易结冰地区护坡材料时，应考虑冰压力的破坏因素。

1.静冰压力

DL 5077—1997《水工建筑物荷载设计规范》、DL/T 5082—1998《水工建筑物抗冰冻设计规范》和SL 211—2006《水工建筑物抗冰冻设计规范》规定：作用于坝面或其他宽长建筑物单位长度上的静冰压力标准值如表3-10所示。

表3-10中冰层厚度取多年平均最大值。对小型水库，需将表3-10中的静冰压力乘以0.87后使用；对库面开阔的平原大型水库，需将表3-10中的静冰压力乘以1.25后使用。

中国自20世纪60年代末开展冰压力的研究工作，并取得了一批成果，但目前计算值与实测值仍有10%的误差，有待继续探索。

2.动冰压力

动冰压力值与冰块的抗压强度、厚度、平面尺寸和运动速度有关。DL 5077—1997《水工建筑物荷载设计规范》、DL/T 5082—1998《水工建筑物抗冰冻设计规范》和SL 211—2006《水工建筑物抗冰冻设计规范》等设计规范对动冰压力给出了相近的算式，但计算参数取值不完全相同。

（1）当流冰作用于铅直的坝面或其他宽长建筑物上时，其动冰压力标准值按式（3-66）计算

式中：F_i1为动冰压力标准值，MN；v为冰块流速，宜实测，无实测数据时，对河（渠）冰取水流速度，对水库冰可取历年冰块流动期最大风速的3%，但不宜超过0.6m/s，对过冰建筑物可取建筑物前流冰的行近流速，m/s；d_i为流冰厚度，取最大冰厚的0.7～0.8倍，流冰初期取大值，m；A为冰块面积，m²；f_ic为冰的抗压强度，MPa。f_ic由试验确定，无试验资料时，对水库冰取0.3MPa，对河流流冰初期取0.45MPa，后期取0.3MPa。此值与前苏联的建筑法规数值相近，是综合分析国内实测数据给出的，较美国、加拿大设计规范值低1～3倍多。

（2）当流冰作用于前缘铅直的三角形独立墩柱时，其动冰压力可分别按式（3-67）和式（3-68）计算，并取其中的小值。

式中：F_p1为冰块切入三角形墩柱时的动冰压力标准值，MN；F_p2为冰块撞击三角形墩柱时的动冰压力标准值，MN；m为墩柱前缘的平面形状系数，其值为0.54～1.0；f_ib为冰的抗挤压强度，MPa，流冰初期取0.75MPa，后期取0.45MPa；b为墩柱在冰作用高程处的前沿宽度，m；γ为三角形夹角的一半。

式（3-67）还适用于前缘为铅直面而非三角形独立墩上的动冰压力计算。

五、高速水流作用

泄水建筑物中的水流流速增加到一定程度时，随之将出现一些高速水流所特有的问题。一般认为，当流速v&gt；16～18m/s时，即认为是高速水流。有时水流流速低于此值时也会出现高速水流所具有的类似现象。在高速水流下，常伴有下列主要特征：高弗劳德数（佛氏数），大雷诺数，紊动强烈，对边界变化非常敏感。

在高佛氏数情况下，边界的微小变化（或局部扰动）很容易产生冲击波、掺气、空穴等现象。

1.空蚀

在一个大气压（101.3kPa）下，水的气化温度为100℃。气压降低，气化温度也要降低。在常温（如20℃）下，水的气化压力为2.337kPa。当水体的压强减小到饱和蒸气压强时，水体发生空化现象。在水流中，如果水体内部的局部压力降低到气化压力之下，该点的水体将发生空化，形成空化泡。这时，水的连续性遭到破坏。当空化泡随水流运动到高压力区时，破裂溃灭，同时还伴随爆裂声和冲击力等，这一现象称为空穴。

空穴发生在固体边壁表面时，气化泡溃灭的巨大冲击力作用在固壁材料上，使表面遭受破坏，这样的破坏称为空蚀。空穴是一种水流现象，空蚀是建筑物的一种破坏形式。空蚀由空化泡多次重复溃灭过程而引起材料疲劳所致。因此，有空穴不一定有空蚀。空蚀是空穴水流和边界材料两方面特性的综合。在常温（20℃）下，低压是能否发生空穴现象的关键。

在水工建筑物的某些边壁轮廓急变部位或转折处容易发生局部负压，因此最可能发生空蚀破坏。如溢流坝面、反弧下游的直段、差动鼻坎的侧面、深孔进口或隧洞出口的顶板、岔管尖端、门槽下游、变坡处下游、局部突起的下游部位等。防止产生空蚀破坏的工程措施有：控制过流表面平整度，选用抗蚀性能高的护面材料，利用超空穴原理，选用合理的体形。在溢流坝面上，采用底部强迫掺气措施进行掺气减蚀已被证实是一项有效的工程措施。

2.掺气

水流在泄槽或溢流坝中流动时，水流中掺入空气的过程称为水流掺气。水和气泡组成的混合体称为掺气水流。掺气水流属于二相流。按水流掺入空气的原因大体可分为两类，强迫掺气和自然掺气。

自然掺气是水流在沿固体边界未受到任何突变或另一股水流的干扰下，水气界面（自由面）到达某种临界状态后，空气自然掺入水流的过程。水面自然掺气使水体膨胀、水深加大、水流紊动加剧，导致建筑物振动和产生雾化，影响水工建筑物正常工作。

强迫掺气是水流受到闸门槽、闸墩、升跌坎、水跃的漩滚或两股水流交汇等外界条件突变时，水流原有流动状态受到破坏，引起局部强烈扰动，致使空气掺入的过程。如泄洪洞泄流时，在埋深不足的情况下可能产生吸入漩涡，导致水流掺气。在溢流坝和泄槽中，常设有掺气坎，用强迫掺气的方法减轻或消除可能产生的空蚀破坏。

掺气程度与流速大小、水深和结构表面的粗糙程度有关。溢流坝面掺气水深h_a可按下式计算

式中：v为断面平均流速；ξ为修正系数，一般取ξ=1.0～1.4，视流速及断面收缩情况而定，当v&gt；20m/s时，宜采用较大值。

3.脉动

脉动的基本特征是流场内的流速和压力随着时间不断地变化。水流脉动来源于波浪等外部因素和水流紊动等内部因素。在流场内，水流流速和压力的脉动与紊流的性质紧密相关，还与水流紊动产生的振动涡体的脉动频率和振幅有关。脉动压力作用在建筑物表面可能产生下列问题：

（1）产生振动。当水流压力脉动的频率与建筑物的固有频率接近时，可能产生共振，严重时可威胁建筑物的安全。在压力脉动频率中，影响最大的是频率低、能量大的主频率。

（2）产生负压。脉动压力有正有负。当瞬时负压大于平均压力时，建筑物表面会出现瞬时负压。反复出现负压，可能导致空蚀破坏等工程问题。这种情况多发生在流速高、压力小、脉压大的地方，如泄槽末端、边墙外凸偏转处、消力池上游端底板等。

4.冲击波

在高速下泄的泄槽水流中，由于边界条件改变而形成的水面扰动波称为冲击波。引起冲击波的常见因素有边墙在平面上的扩散、收缩或弯曲。边墙向内收缩时，水深增加，称为正冲击波。反之，称为负冲击波。冲击波使槽内局部水深增加，在槽内反复折冲前行，增加水流压力脉动，使断面单宽流量不均匀，增加消能的困难。冲击波波高与水流佛氏数、边墙偏转角、初始水深等因素有关。佛氏数和偏转角越大，则波高越大。

六、水工建筑物的冲刷作用和防护

水工建筑物抬高水位的同时蓄积了巨大的能量。在正常运用情况下，水能转化为有用的电能。但是，在泄水过程中，巨大的水能却对下游造成极大的威胁，必须采用妥善的手段将其消除，否则，可能发生危害性冲刷。

泄水建筑物消能的原则就是要将下泄水流的能量消刹在水流漩滚紊动中。水流自身通过漩滚、紊动、摩擦，将下泄水流的动能转化为热能。在天然河道中，水流流速在垂直过水断面上呈对数曲线分布，底部流速较小且有较大的流速梯度。当断面平均水流流速增大到一定程度时，河床底部的流速梯度也增大，紊动增强。一方面通过壁面摩擦阻力消耗能量；另一方面产生涡体向上部水体传输，通过雷诺切应力消耗能量。但是，依靠这种壁面消能需要相当长的流程才能消耗大量的水能，因此往往需要构成特定的消能区域，如底流消能的消力池、挑流消能的水垫塘。水流在此区域内形成剧烈的水流漩滚和混掺，其内部形成极大的流速梯度，增大剪切摩擦损失。同时，混掺作用还极大地增加了雷诺应力损失，能够迅速消耗大量的能量。

泄水建筑物的消能方式分为体内消能和体外消能。体内消能是在建筑物表面或内部产生水流紊动，消刹水能。如阶梯式消能工、宽尾墩消能工、孔板消能工、竖井回旋消能工。体外消能是在泄水建筑物的下游某一指定地方通过一定方式消刹水能。常用的有底流消能、挑流消能、面流消能和戽流消能。其中，面流消能是将水流的主流挑向水面，利用水面波浪消能，由于波浪消能率低，需要逶延相当距离，虽保护了河床底部，但对河岸冲刷不利，已较少应用。

在土质河床上，近底水流流速增大到一定数值时，可将河床底部的泥沙推动或扬起，并带向下游，使河床造成冲刷。不同土质有着不同的抗冲流速。水工建筑物的建成，改变了天然河道的流速分布，使部分区域的局部流速增加。泄水建筑物的下游因消能不充分、水流扩散不佳、回流等因素，也容易造成底部或边壁流速超过河道抗冲流速，产生局部冲刷。如海漫末端、上游铺盖前端、导墙端部等处。随着河床冲深，断面平均流速下降，近底流速也下降。所以，当冲刷发展到一定程度时，河床冲淤趋于稳定。岩基河床的抗冲刷能力比土基质河床高。

在岩基上，采用挑流消能或跌流消能时，下泄的高速水流射入下游水体中直冲岩石（图3-21）。水舌在水中向下冲击的过程中不断扩散，并且在水舌的周边产生强烈的漩滚，因此，射流水舌的流速在扩散过程中不断降低。当水舌冲抵到岩体处时，水流受阻转向两侧形成回流，水流的动能转变为压力。从水舌到两侧，流速迅速降低。特别是在水舌边缘处，存在很大的流速梯度。在水舌冲击处的岩体面上，也存在相当大的压力梯度。由于种种因素，水舌落点在小范围内随机移动，更加强了水体的紊动。在水舌顶冲处，压力和压力脉动沿岩体的节理裂隙传递，使岩体的节理裂隙扩张、贯通，最终从原处拔起。被冲起的岩体在坑内滚动、破碎、冲走。随着岩块的不断冲走，形成的冲刷坑不断扩大。水舌的运动距离加长，流速降低，直至流速降低到不足以拔起岩块，冲刷坑逐渐稳定。水流能量越大，冲坑越大；岩体越坚硬，冲刷坑越浅。

消能效果越好，防冲任务越轻。对于流速高、水流冲刷力大的地方用混凝土或钢筋混凝土衬砌，如消力池、水垫塘等。近闸（坝）处的两岸等流速小的地方可采用浆砌石、干砌石等进行防护。