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摘要：水利工程上，消能样式各异，通过消能措施达到消除隐患因素，保证水利枢纽正常运行。本文从实际工程背景着手阐述堰面挑流消能，抓住挑流消能中的挑射角和鼻坎，进行理论分析和优化。
关键词：消能 挑流消能 挑射角 鼻坎 滑跃起飞 汤匙效应
0 引言
在水利上，消能是让水流在运动中因克服各种阻力做功，消耗了一部分机械能量，如动能或势能，使之转化为热能的人为控制的现象。在国内的水利枢纽设计方案中，消能方式分为三种，即：底流消能、挑流消能、面流消能。
底流消能也称水跃消能，是指依靠消能设施（如消力池） 使下泄急流迅速转变为缓流，通过水跃产生的表面旋滚及旋滚与底流间的强烈紊动、剪切和掺混作用，以消除动能的消能方式。它具有流态稳定，消能效果较好，对地质条件和尾水变幅适应性强，尾水波动小，维修费用省等优点。底流消能应用很广，适于高、中、低水头，大、中、小流量各类泄水建筑物。
挑流消能是利用泄水建筑物出口部分的挑流鼻坎，将下泄的急流抛向空中，通过水体相互撞击和与空气摩擦、掺气、扩散消能，然后落入下游尾水中淹没紊动扩散的消能方式。挑流消能通过堰面反弧曲面可有效地控制下泄急流落入下游河床的安全位置，有对尾水变幅适应性强，结构简单，施工、维修方便的优点。但其下游河床冲刷较严重，堆积物较多，尾水波动与雾化现象都较大。挑流消能应用较广，适于中、高水头，大、中、小流量的各类建筑物。
面流消能是指通过泄水建筑物末端的跌坎或戽斗，将下泄急流的主流挑至水面，通过主流在表面扩散及底部旋滚和表面旋滚以消除余能的消能方式。面流消能分跌坎面流消能和戽斗面流消能两类。戽斗面流消能是水流在戽斗内形成水跃后，再在戽斗后形成面流，是兼有底流、面流特点的混合型消能方式。面流消能适用于中、低水头，下游尾水较深，水位变幅不大及河岸稳定、抗冲能力强的情况。
不管选择何种方式消能，前提条件就是要确保泄水建（构）筑物安全稳定、合理经济。本文结合实际工程，单单对挑流消能进行分析和探讨。
1 背景概述
伟大导师马克思曾说过：技术是对生产力的提升，是改造世界和推动世界的力量源泉。人类利用自然、改造自然离不开科技的发展，不断完善和改进科技水平，是保证人类文明发展、世界历史前进的重要源泉。
龙门滩四级水电站是龙门滩梯级电站中的第四级，位于福建省永春县东平镇湖洋溪河段，距永春县城约13km，为跨流域引水工程，主要建筑物由拦河坝、引水系统、发电厂房和开关站等组成。坝址位于东平镇内碧村上游2km的湖洋溪河段，控制流域面积314平方公里，总库容1625万立方米，调节库容806.5万立方米，为不完全季调节性能，平均年可供水量2986万立方米。发电厂房和开关站位于东平镇外碧村胡洋溪河畔，发电厂房共安装2台单机容量为14MW的HLA773a-LJ-190型混流式水轮发电机组，总装机容量达28MW，平均年发电量8884万kW·h。110kV户外升压开关站位于厂房下游侧，与河道平行布置，升压开关室内布置一台主变压器。引水系统由进水口（位于坝址上游右岸，临近管理楼）、引水隧洞、调压井及高压引水道等建筑物组成。引水隧洞全长2656.5m，开挖洞径5.7m。调压井型采用阻抗式，调压井总高度为48m，高压引水道全长193.213m。拦河坝为抛物线双曲砌石拱坝，最大坝高46.6m，拱坝泄洪采用坝顶开敞式溢洪道、挑流消能的消能型式。溢洪道共设4孔，每孔净宽11m。本文将以溢流面挑流消能为例，探讨对该溢流面反弧挑流的完善。
挑流消能是目前国际上普遍应用的消能措施。根据相关资料分析报道，全球大、中型河岸溢洪道的消能形式大体为挑流消能，我国采用挑流约占85%，国外略低，约为75%。挑流消能在水工建筑中大范围采用，根本在于施工技术难度不大，成本较低，消能效果也好，倍受设计人员的青睐。设计人员在设计时，追求出闸水流在高速流离溢流坝面后，挑距能最远，从而确保坝体自身安全。因此，挑流消能的主要任务就在于鼻坎和挑射角的方案敲定。下面，就从这两个方面进行分析探讨。
2 溢流面反弧挑射角的取值
龙门滩四级电站大坝的溢流面采用标准的WES堰流面反弧曲线，为让出闸室的水流能挑离坝址更远，设计中运用悬挑梁，使溢流面延伸坝体4.2m，增加水流在离开坝体瞬间的末速度。在学术界上，有关水利科技方面的文章，可以说是百花齐放、百家争鸣的现象，而论述的知识和新技术也是各有千秋。但是对溢流堰面反弧挑射角θ的学术论文却不多。经过收集和整理，目前对挑射角θ的取值有两种说法：一种是与水平面呈6°～20°；另一种就是20°～25°。提出这两种说法的来源都是根据试验得出的结论。面对这种大范围的取值，我们不禁要问：那到底是哪种试验结论是正确的或者说具体到某个数值更科学呢？以下的论述，将很好地解决这一问题。
2012年9月25日，这是个不平凡的日子，可以说是我国海军发展史上的一个重大里程碑。因为我国拥有了第一艘可以搭载固定翼飞机的航空母舰“辽宁舰”，他的加入标志着我国挤入了航空母舰的俱乐部。“辽宁舰”跟美式航母的区别就是舰艏采用滑跃式起飞。滑跃式起飞最早是由英国人提出并发明的，这一理论技术运用在航母甲板，其目的是为了提高飞机起飞的速度和减少起飞的滑跑距离，滑跃式甲板在12°左右，可以保证飞机起飞达到最佳动能势能比。“滑跃式起飞”虽说是用在军事工程上的技术，对水利工程技术人员讲，是个很陌生很模糊的概念，但是在堰流面挑流上，如果我们把高速流离溢流堰面的水流看作是在甲板上起飞的战机，这两者却颇为相似。出闸室的水流（水翼）沿着堰面倾泻而下，在离坝瞬间，被赋予一定的轨迹倾斜角，在空中拥有水平和向上的分速度。水体抛入空中后，垂直分量不足以克服重力，借助于上翘堰面提供的离坝瞬间速度和挑射角，水流在空中做抛物线滑翔并跃入河中。因此，挑射角的选定成为挑距的重要因素之一，而滑跃式甲板的角度无疑是最好的参照。由于国内对滑跃起飞研究起步较晚，在上世纪九十年代中期才开始，没有试验数据，多为理论分析和建模仿真，国外试验数据很充分，理论研究也很完备，但鉴于科技保密，很少出现在公开发表的刊物上，很难获得真实、准确的资料。据有关报道，“辽宁舰”的起飞甲板为14°。
3 堰面鼻坎的型式优化
挑流消能中，对鼻坎的型式选择有多种，经常用的有连续式、差动式、扩散式和窄缝式，还有扭曲和斜切鼻坎等等用何种型式的鼻坎，取决于消能效果和坝体所处的地理环境及位置。比如我国在潘家口水利枢纽中采用的宽尾墩挑流消能，消能效果就很好。龙门滩四级电站大坝工程采用连续式鼻坎，挑流消能效果显著，但由于坝址下游的河床岩体完整性较差，节理、断裂层和破碎带分布较多，长期受到4股泄洪水柱的冲击，形成较深的冲刷坑，在初建之时，也未在紧接坝趾处修段护坦，易造成对坝基的现实威胁。如果说通过改变堰面反弧挑射角θ，使泄洪水柱落点离坝趾较远，进而保证坝基稳固是种改进方法，那减弱泄洪水柱的冲击力，促使冲刷坑不会过深，同样也是作为保证坝基安全的另种手段。减弱泄洪冲击力，可以考虑让泄洪水柱分散变小。
在生活中，我们都有洗碗筷的经历。当洗陶瓷汤匙时，让水落在汤匙柄槽，我们会发现水从柄槽快速流向汤匙边沿坎后，以水幕帘的形状分散离开，下落中，大的水珠分离出多个小水珠。同时，不断调整汤匙与水平面的夹角θ，水幕帘也随着远和近的变化。这现象是由汤匙沿边坎挑射水流造成的，暂称这现象为汤匙效应。如若把堰面鼻坎做出形如汤匙状，出闸洪水在经过挑射后，就不再会是以水柱的形式，气势如虹般冲入河床，而是像水幕帘一样，分散着飘落河中。这样就算地质条件差的河床，在无法采用壅水措施的情况下，也是不必担心因冲刷坑过深而影响坝基的稳固。这种堰面反弧挑流泄洪和汤匙效应有异曲同工之妙。
虽然通过改变挑射角θ和鼻坎性质可以达到优化的目的。但是也带来了严重的泄洪雾化现象，对工程构成了相当大的威胁，处理不好，将直接造成重大经济损失。针对雾化现象产生的危害，应采取相应的防护措施。①在建筑物周边强化排水系统，确保排水畅通；②设置必要的护岸和护坡工程，增强岩体的抗滑能力，防止坍滑和泥石流现象；③尽可能将建筑物布置在影响范围之外。
参考文献：
[1]陈利珍.电站更新改造的可行性分析[J].价值工程，2012（10）.
[2]刘诚.浅析中小型水利水电工程地质评价[J].价值工程，2010（12）.
[3]刘诚.基于三维统一模型的水利水电工程地质信息分析[J].价值工程，2010（15）.
关键词：消能 挑流消能 挑射角 鼻坎 滑跃起飞 汤匙效应
0 引言
在水利上，消能是让水流在运动中因克服各种阻力做功，消耗了一部分机械能量，如动能或势能，使之转化为热能的人为控制的现象。在国内的水利枢纽设计方案中，消能方式分为三种，即：底流消能、挑流消能、面流消能。
底流消能也称水跃消能，是指依靠消能设施（如消力池） 使下泄急流迅速转变为缓流，通过水跃产生的表面旋滚及旋滚与底流间的强烈紊动、剪切和掺混作用，以消除动能的消能方式。它具有流态稳定，消能效果较好，对地质条件和尾水变幅适应性强，尾水波动小，维修费用省等优点。底流消能应用很广，适于高、中、低水头，大、中、小流量各类泄水建筑物。
挑流消能是利用泄水建筑物出口部分的挑流鼻坎，将下泄的急流抛向空中，通过水体相互撞击和与空气摩擦、掺气、扩散消能，然后落入下游尾水中淹没紊动扩散的消能方式。挑流消能通过堰面反弧曲面可有效地控制下泄急流落入下游河床的安全位置，有对尾水变幅适应性强，结构简单，施工、维修方便的优点。但其下游河床冲刷较严重，堆积物较多，尾水波动与雾化现象都较大。挑流消能应用较广，适于中、高水头，大、中、小流量的各类建筑物。
面流消能是指通过泄水建筑物末端的跌坎或戽斗，将下泄急流的主流挑至水面，通过主流在表面扩散及底部旋滚和表面旋滚以消除余能的消能方式。面流消能分跌坎面流消能和戽斗面流消能两类。戽斗面流消能是水流在戽斗内形成水跃后，再在戽斗后形成面流，是兼有底流、面流特点的混合型消能方式。面流消能适用于中、低水头，下游尾水较深，水位变幅不大及河岸稳定、抗冲能力强的情况。
不管选择何种方式消能，前提条件就是要确保泄水建（构）筑物安全稳定、合理经济。本文结合实际工程，单单对挑流消能进行分析和探讨。
1 背景概述
伟大导师马克思曾说过：技术是对生产力的提升，是改造世界和推动世界的力量源泉。人类利用自然、改造自然离不开科技的发展，不断完善和改进科技水平，是保证人类文明发展、世界历史前进的重要源泉。
龙门滩四级水电站是龙门滩梯级电站中的第四级，位于福建省永春县东平镇湖洋溪河段，距永春县城约13km，为跨流域引水工程，主要建筑物由拦河坝、引水系统、发电厂房和开关站等组成。坝址位于东平镇内碧村上游2km的湖洋溪河段，控制流域面积314平方公里，总库容1625万立方米，调节库容806.5万立方米，为不完全季调节性能，平均年可供水量2986万立方米。发电厂房和开关站位于东平镇外碧村胡洋溪河畔，发电厂房共安装2台单机容量为14MW的HLA773a-LJ-190型混流式水轮发电机组，总装机容量达28MW，平均年发电量8884万kW·h。110kV户外升压开关站位于厂房下游侧，与河道平行布置，升压开关室内布置一台主变压器。引水系统由进水口（位于坝址上游右岸，临近管理楼）、引水隧洞、调压井及高压引水道等建筑物组成。引水隧洞全长2656.5m，开挖洞径5.7m。调压井型采用阻抗式，调压井总高度为48m，高压引水道全长193.213m。拦河坝为抛物线双曲砌石拱坝，最大坝高46.6m，拱坝泄洪采用坝顶开敞式溢洪道、挑流消能的消能型式。溢洪道共设4孔，每孔净宽11m。本文将以溢流面挑流消能为例，探讨对该溢流面反弧挑流的完善。
挑流消能是目前国际上普遍应用的消能措施。根据相关资料分析报道，全球大、中型河岸溢洪道的消能形式大体为挑流消能，我国采用挑流约占85%，国外略低，约为75%。挑流消能在水工建筑中大范围采用，根本在于施工技术难度不大，成本较低，消能效果也好，倍受设计人员的青睐。设计人员在设计时，追求出闸水流在高速流离溢流坝面后，挑距能最远，从而确保坝体自身安全。因此，挑流消能的主要任务就在于鼻坎和挑射角的方案敲定。下面，就从这两个方面进行分析探讨。
2 溢流面反弧挑射角的取值
龙门滩四级电站大坝的溢流面采用标准的WES堰流面反弧曲线，为让出闸室的水流能挑离坝址更远，设计中运用悬挑梁，使溢流面延伸坝体4.2m，增加水流在离开坝体瞬间的末速度。在学术界上，有关水利科技方面的文章，可以说是百花齐放、百家争鸣的现象，而论述的知识和新技术也是各有千秋。但是对溢流堰面反弧挑射角θ的学术论文却不多。经过收集和整理，目前对挑射角θ的取值有两种说法：一种是与水平面呈6°～20°；另一种就是20°～25°。提出这两种说法的来源都是根据试验得出的结论。面对这种大范围的取值，我们不禁要问：那到底是哪种试验结论是正确的或者说具体到某个数值更科学呢？以下的论述，将很好地解决这一问题。
2012年9月25日，这是个不平凡的日子，可以说是我国海军发展史上的一个重大里程碑。因为我国拥有了第一艘可以搭载固定翼飞机的航空母舰“辽宁舰”，他的加入标志着我国挤入了航空母舰的俱乐部。“辽宁舰”跟美式航母的区别就是舰艏采用滑跃式起飞。滑跃式起飞最早是由英国人提出并发明的，这一理论技术运用在航母甲板，其目的是为了提高飞机起飞的速度和减少起飞的滑跑距离，滑跃式甲板在12°左右，可以保证飞机起飞达到最佳动能势能比。“滑跃式起飞”虽说是用在军事工程上的技术，对水利工程技术人员讲，是个很陌生很模糊的概念，但是在堰流面挑流上，如果我们把高速流离溢流堰面的水流看作是在甲板上起飞的战机，这两者却颇为相似。出闸室的水流（水翼）沿着堰面倾泻而下，在离坝瞬间，被赋予一定的轨迹倾斜角，在空中拥有水平和向上的分速度。水体抛入空中后，垂直分量不足以克服重力，借助于上翘堰面提供的离坝瞬间速度和挑射角，水流在空中做抛物线滑翔并跃入河中。因此，挑射角的选定成为挑距的重要因素之一，而滑跃式甲板的角度无疑是最好的参照。由于国内对滑跃起飞研究起步较晚，在上世纪九十年代中期才开始，没有试验数据，多为理论分析和建模仿真，国外试验数据很充分，理论研究也很完备，但鉴于科技保密，很少出现在公开发表的刊物上，很难获得真实、准确的资料。据有关报道，“辽宁舰”的起飞甲板为14°。
3 堰面鼻坎的型式优化
挑流消能中，对鼻坎的型式选择有多种，经常用的有连续式、差动式、扩散式和窄缝式，还有扭曲和斜切鼻坎等等用何种型式的鼻坎，取决于消能效果和坝体所处的地理环境及位置。比如我国在潘家口水利枢纽中采用的宽尾墩挑流消能，消能效果就很好。龙门滩四级电站大坝工程采用连续式鼻坎，挑流消能效果显著，但由于坝址下游的河床岩体完整性较差，节理、断裂层和破碎带分布较多，长期受到4股泄洪水柱的冲击，形成较深的冲刷坑，在初建之时，也未在紧接坝趾处修段护坦，易造成对坝基的现实威胁。如果说通过改变堰面反弧挑射角θ，使泄洪水柱落点离坝趾较远，进而保证坝基稳固是种改进方法，那减弱泄洪水柱的冲击力，促使冲刷坑不会过深，同样也是作为保证坝基安全的另种手段。减弱泄洪冲击力，可以考虑让泄洪水柱分散变小。
在生活中，我们都有洗碗筷的经历。当洗陶瓷汤匙时，让水落在汤匙柄槽，我们会发现水从柄槽快速流向汤匙边沿坎后，以水幕帘的形状分散离开，下落中，大的水珠分离出多个小水珠。同时，不断调整汤匙与水平面的夹角θ，水幕帘也随着远和近的变化。这现象是由汤匙沿边坎挑射水流造成的，暂称这现象为汤匙效应。如若把堰面鼻坎做出形如汤匙状，出闸洪水在经过挑射后，就不再会是以水柱的形式，气势如虹般冲入河床，而是像水幕帘一样，分散着飘落河中。这样就算地质条件差的河床，在无法采用壅水措施的情况下，也是不必担心因冲刷坑过深而影响坝基的稳固。这种堰面反弧挑流泄洪和汤匙效应有异曲同工之妙。
虽然通过改变挑射角θ和鼻坎性质可以达到优化的目的。但是也带来了严重的泄洪雾化现象，对工程构成了相当大的威胁，处理不好，将直接造成重大经济损失。针对雾化现象产生的危害，应采取相应的防护措施。①在建筑物周边强化排水系统，确保排水畅通；②设置必要的护岸和护坡工程，增强岩体的抗滑能力，防止坍滑和泥石流现象；③尽可能将建筑物布置在影响范围之外。
参考文献：
[1]陈利珍.电站更新改造的可行性分析[J].价值工程，2012（10）.
[2]刘诚.浅析中小型水利水电工程地质评价[J].价值工程，2010（12）.
[3]刘诚.基于三维统一模型的水利水电工程地质信息分析[J].价值工程，2010（15）.