景敏 張莉 殷繼艷

摘要：在“全災種、大應急”的理念背景下，本文主要結(jié)合我國水能開發(fā)“泄量大、水頭高、河谷窄”的特點，以外消能和內(nèi)消能兩條線路，分別歸納總結(jié)了常見消能方式中底流式消能、挑流式消能及面流式消能的特點和內(nèi)消能中孔板式消能、旋轉(zhuǎn)式消能及消力井消能的特點，為消防救援人員夯實相關理論基礎及提高防災減災救災能力打下堅實基礎。

關鍵詞：泄水建筑物; 消能; 防災減災救災

1 ? 引言

黨的十八大以來，習近平總書記多次就防災減災工作做出重要指示和部署，強調(diào)“同自然災害抗爭是人類生存發(fā)展的永恒課題”。面對新時代的新要求，應急管理部提出“全災種、大應急” 的應急救援新理念，作為新時代的消防人，必須補課趕隊，大幅提高防災減災救災能力。

我國是一個水能資源比較豐富的國家。水能資源具有無污染，理論蘊含量高以及技術可開發(fā)裝機容量居世界之首[1]的特點。基于這些特點，為了滿足當前和今后經(jīng)濟社會發(fā)展需要，國家勢必會修建一大批水利水電工程進行蓄能發(fā)電。

然而，結(jié)合我國水能開發(fā)“泄量大、水頭高、河谷窄”的特點[2]，尤其是壩高在200m以上且泄洪比較集中的水利工程，泄洪消能問題顯得尤為重要。如果泄洪消能問題不能很好地解決，將有可能導致下游水工建筑物的破壞，嚴重時可能導致大壩失事[3]，嚴重阻礙國家經(jīng)濟發(fā)展和威脅人民生命安全。

在此基礎上，本文歸納總結(jié)了泄水建筑物下游水流消能的關鍵技術。見表 1，國內(nèi) 200 米以上高壩統(tǒng)計表。

2 ? 常見消能方式[5][6] ?

目前而言，消能方式有很多種，比較常見的消能方式有底流式消能，挑流式消能和面流式消能。這三種消能方式統(tǒng)稱為外消能。其中，葛洲壩水電站采用的是底流式消能，新安江水電站采用的是挑流式消能，富春江水電站采用的是面流式消能。

2.1 ?底流式消能

底流式消能，又稱水躍式消能，顧名思義，此種消能方式主要是通過發(fā)生水躍現(xiàn)象，利用水躍旋滾區(qū)中水流的強烈擾動來消能，由于水躍區(qū)的主流靠近底部，故被稱為底流式消能。與其他兩種外消能比較，底流式消能具有消能效率高（水躍的產(chǎn)生能消減水流 45%～60%的能量），適用范圍廣（溢流壩、水閘、高壩均可適用，對于地基條件也沒有太多要求），躍后水位相對穩(wěn)定，下游沖刷小，霧化比較輕等特點[7] 。因此，此種消能方式被廣泛應用。然而，采取什么工程措施發(fā)生水躍，并讓水躍產(chǎn)生地更加充分完全，一直以來得到了許多專家學者地關注，并對研究成果進行了總結(jié)。

目前，比較常見的工程措施是在下游開挖消力池，修建消力墻以及建造綜合式消力池，形成稍有淹沒的淹沒式水躍，從而經(jīng)濟高效地消除水流的能量，確保下游河道的安全。下面逐一介紹這三種工程措施。?

2.1.1 ?消力池

在實際工程中，一般是在建筑物的下游開挖一個水池，在水池中形成淹沒式水躍，從而達到銜接與消能的作用，如圖 2所示。該工程措施的優(yōu)點是：適用范圍廣泛，修建時地質(zhì)條件要求低，工程經(jīng)濟性高等。?

2.1.2 ?消力墻

如圖 3 所示，與消力池相比，該工程措施是在建筑物下游修建一道低堰，壅高堰前水位，使其發(fā)生淹沒式水躍。由于要在下游修建低堰，相比消力池而言，其對地質(zhì)條件要求比較高。?

2.1.3 ?綜合式消力池

在實際工程中，為了發(fā)揮以上兩種工程措施的優(yōu)越性，在修建時可將消力池和消力墻兩種形式結(jié)合使用，或在消力池中加上趾墩、消力墩、尾坎、T 型墩的輔助消能工程，這種消能形式被稱為綜合式消力池，如圖 4 所示。

2.2 ?挑流式消能 ?

2.2.1 ?基本概念

挑流式消能是通過在下游修建一個挑流鼻坎，在上游水流巨大動能作用下，將水股拋向空中，再跌落到遠離建筑物的沖刷坑中，從而實現(xiàn)消能，如圖 5 所示。在外力作用下，拋向空中的水股猶如舌頭，所以人們形象的稱為挑流水舌。挑流水舌在工程措施的作用下，如連續(xù)式挑坎、差動式挑坎等，可以實現(xiàn)水流的互相穿射，橫向擴散，空中相互碰撞等三維綜合消能。

從消能過程來看，挑流式消能主要分為兩部分：一是水流被挑起后，水股在空中消除能量; 二是水舌跌落到?jīng)_刷坑后，形成水墊，在水墊中形成漩滾進行消能。相比而言，在水墊中形成漩滾消能占整個挑流消能的主要部分。

從挑流消能的形成過程來看，可以分析出挑流消能的形成條件：一是考慮到形成挑流水舌， 那么需要在中高水頭的泄水建筑物才能實現(xiàn)，這對上游泄水建筑物的水頭提出了要求;二是考慮到水墊消能的形成條件，即能量較高的挑流水舌會沖擊下游河岸，從而對下游地質(zhì)條件要求很高。因此，能否實現(xiàn)挑流消能，主要考察兩個方面：一是上游水頭，二是下游地質(zhì)條件。

2.2.2 ?霧化

當上游水流通過挑流鼻坎后，在水流巨大動力的作用下，將水流拋向空中，從而實現(xiàn)了挑流式消能。當水流拋向空中時，水流與周圍空氣相互作用，并在風的作用下，空中形成大量的水滴、水霧，從而在下游處形成霧化現(xiàn)象。霧化現(xiàn)象主要有兩種表現(xiàn)形式，一是強暴雨，二是煙霧彌漫。

空中消能越充分，下游霧化就會越嚴重。表 2 對霧化產(chǎn)生的不利影響進行了歸納總結(jié)[3][8]。所以，在運用挑流式消能的水利工程中，需要特別重視霧化現(xiàn)象產(chǎn)生的不利影響。

2.3 ?面流式消能?

面流式消能是通過在泄水建筑物末端修建一個較小挑角的鼻坎，同時下游水位高于坎頂，此時將上游下泄的高速水流通過鼻坎引入到下游水面，形成表面旋滾和底部旋滾，從而實現(xiàn)消能。

如圖 6 所示。該消能方式與挑流式消能相比，下游不需要設置防護工程，霧化現(xiàn)象不嚴重。但， 兩者都對下游岸坡的穩(wěn)定性和交通設施有所影響。通過面流式消能的特點可知，該消能方式適用于下游豐水的河道以及上游水頭不高的水利工程。

3 ? 內(nèi)消能方式

根據(jù)我國大型水電站建設中所面臨的普遍問題：一是泄洪建筑物布置困難;二是常見消能方式突出弊端;三是工程經(jīng)濟性等。在此基礎上，在常見消能工的基礎上，提出了內(nèi)消能的概念。

3.1 ?基本原理

內(nèi)消能工的概念是在外消能工的基礎上提出的，它更加強調(diào)在原有工程的基礎上進行局部改造，體現(xiàn)了施工簡單、運用靈活、經(jīng)濟適用等優(yōu)點。常見的工程措施如表 3 所示。通過突縮、突擴、射流、安裝發(fā)生旋轉(zhuǎn)裝置，從而使得水流在泄水建筑物局部發(fā)生形態(tài)及能量急劇變化，實現(xiàn)消能。目前比較常見的內(nèi)消能形式有孔板消能、旋流式消能等。

3.2 ?孔板式消能?

孔板式消能是在洞塞式消能的基礎上演變來的，它是依靠水流的突縮和突擴來消除水流的能量，從而水流之間形成很強的剪力、紊動和摩擦，使水流的動能最終以熱能的形式消耗減小，實現(xiàn)與下游水流的順利對接。此種內(nèi)消能方式適用于中等流量和高水位條件，不易發(fā)生空蝕。但是，在高水位工況運行時，必須控制進水口閘門，防止出現(xiàn)不穩(wěn)定氣團[9]孔板式消能有單級孔板消能和多級孔板消能兩種。

在我國，小浪底工程開創(chuàng)了孔板式消能的先河。在重復利用導流洞的基礎上，該工程采用多級孔板消能方案，在導流洞中設置了突縮、突擴聯(lián)合運用的工程措施，實現(xiàn)了高效消能。由模型試驗得知，水流通過孔板突擴消能，可將 140 米的水頭削減為 70%，洞壁最大流速僅為 10m/s 左右。

3.3 ?旋流式消能

旋流式消能的研究和工程應用在國外開始比較早，20 世紀 50 年代至 60 年代，主要對起旋器進流方式展開了大量的研究。直到 20 世紀 70 年代，前蘇聯(lián)研究團隊在前人研究的基礎上，并結(jié)合工程實際，將旋流消能的理論設計方式轉(zhuǎn)化為實際工程。隨后，水平旋流式內(nèi)消能也在其他國家得到運用，如塔吉克斯坦共和國羅貢水電站及印度特里水電中的泄洪消能建筑物上[10]。

在國內(nèi)，旋流式消能工的研究始于 90 年代前后。比較典型的案例有四川沙牌水電站、青海拉西瓦水電站和公伯峽水電站。它們都是重復利用導流洞，將其改為旋流式消能泄洪洞，從而實現(xiàn)消能。

旋流式消能適用于高水頭，一般由引水道將水引入旋轉(zhuǎn)發(fā)生裝置，使得水流高速旋轉(zhuǎn)消除能量，再由出水道引出水流，從而完成完整的消能。在實際工程中，可通過改造導流洞、施工隧道來實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)式消能。常見的旋流式消能分別是渦旋式消能和反渦旋式消能。兩者的共同特點都是使水流發(fā)生旋轉(zhuǎn)而進行消能。兩者最大的區(qū)別是反渦旋式消能的旋轉(zhuǎn)水流是在消能室中產(chǎn)生的。渦旋式消能按旋轉(zhuǎn)水流的部位可分為水平式和垂直式。反向渦旋式消能按旋轉(zhuǎn)水流的連接方式分為同軸旋轉(zhuǎn)式和不同軸旋轉(zhuǎn)式。

3.4 ?消力井消能

消力井消能，有別于前兩種內(nèi)消能方式，它是通過在泄水建筑物和下游之間開挖一定深度的豎井來實現(xiàn)高速水流的消能。消力井多以深筒式或旋流式豎向進水消力井為主[11] 。上游高速水流進入消力井后，水流成射流狀態(tài)，從而與工程措施等發(fā)生摩擦、碰撞等，在豎井內(nèi)形成劇烈的渦旋流，達到緩沖水流的作用[12] 。綜合考慮消力井的消能特點，消力井只適合用于流量較小的水利工程。

4 ? 結(jié)語

本文主要闡述了泄水建筑物消能的必要性和主要方法。其中，主要以外消能和內(nèi)消能兩大方法為線索，分別詳細介紹了常見的外消能方法和新型的內(nèi)消能方法。常見的外消能方法分別有底流式消能，挑流式消能及面流式消能。新型內(nèi)消能方法分別有旋流式消能，孔板式消能，消力井消能。通過對泄水建筑物銜接消能的歸納總結(jié)，確保了下游河岸的安全性和可靠性，降低了水災害對房屋建筑的損害，保障了人民群眾生命財產(chǎn)安全和社會的和諧穩(wěn)定。

作者簡介：

景 ?敏，（1985-），女，陜西西安人，碩士研究生，講師，主要從事消防工程的教學及研究。

張 ?莉，（1978-），女，北京人，副主任醫(yī)師，中國人民解放軍中部戰(zhàn)區(qū)疾病預防控制中心專業(yè)技術 8 級。

殷繼艷（通訊作者），（1976-），女，內(nèi)蒙古西烏旗人，博士，副教授，主要從事森林防滅火研究。

參考文獻：

[1] ? ?楊 ?濤.挑流、底流聯(lián)合消能研究[D].大連理工大學，2009.

[2] ? ?孫雙科.我國高壩泄洪消能研究的最新進展[J].中國水利水電科學研究院學報2009，（02）：249-254.

[3] ? ?李萬軍，雷霄雯，王協(xié)康.高壩泄水霧化機理探討與防治措施綜述[J].水利規(guī)劃與設計，2014，（03）：42-45.

[4] ? ?李沅昕.旋流內(nèi)消能工水力特性的試驗研究與經(jīng)驗分析[D].西安理工大學，2017.

[5] ? ?吳持恭.水力學[M].北京：高等教育出版社，2003.

[6] ? ?趙振興，何建京.水力學[M].北京：清華大學出版社，2010.

[7] ? ?張連峰.淺談水利工程消能工型式[J].知識經(jīng)濟，2011，（24）.

[8] ? ?梁在潮.三峽水利樞紐挑流霧化流問題的研究[J].武漢水利電力大學學報，1994，（06）： 635-642.

[9] ? ?高季章，董興林，劉繼廣.生態(tài)環(huán)境友好的消能技術—內(nèi)消能的研究與應用[J].水利學報，2008，（10）：1177-1178.

[10] ? ?龍 ?建.旋流阻塞泄洪洞空腔旋流特性的試驗與數(shù)值模擬研究[D].西安理工大學，2019.

[11] ? ?焦 ?萱，邱 ?勇，阮合春，等.斜向進水消力井淹沒射流水力特性機理分析[J].長江科學院院報，2019，（11）：45-49.

[12] ? ?張 ?鵬.齒墩式內(nèi)消能工的流場特性研究[D].太原理工大學，2015.