水工建筑物消能设计的分析研究

水工建筑物消能设计的分析研究
【摘要】消能设计时水工建筑中最核心的一部分，不仅仅影响着自身水工建筑物的安全，同时也关系着周围其他建筑的安全和施工，必须引起高度重视。

【关键词】水工建筑；消能；设计
前言
文章对水工建筑物消能设计的作用、常见的消能方式、新型消能方式做了介绍，对水工建筑物中组合式消能结构进行了阐述，同时结合自身实践经验和相关理论知识，对水工建筑物消能设计提出了相关建议。

二、水工建筑物消能设计的作用
水闸、溢流坝及跌水等水工建筑物过水时,水流往往具有较大的动能,对下游河床或渠床产生冲刷,须采取措施进行消能。

消能工的作用就是：消除水流动能及波状水跃,促使水流横向扩散防止产生折冲水流；保护河渠床防止剩余动能引起的冲刷。

这两方面措施,首先是消能,其次是防冲。

如果离开了消能、单纯地采取消极的防御性措施,既不经济也不安全。

因此,在消能防冲设计中,一定要抓住消能这个主要环节。

三、常用的消能方式
常用消能方式有三种底流式、面流式及挑流式消能。

挑流式、面流式消能多用于溢流坝下游消能,而一般渠系建筑物普遍以底流式消能为主。

底流式消能是利用水跃来消能,其主要工程措施是护坦及海漫、防冲槽。

此型式比较安全可靠,尾水比较平稳,下游冲刷较轻,且结构简单,施工方便。

因此在中小型工程中普遍得到应用。

底流消能的主要设施是一定长度与宽度的硅或钢筋混凝土的护坦。

它一方面工程量较大,相应的工程造价高另一方面在东北、西北有冻胀的地区,较大面积的护坦也易出现冻胀破坏的问题。

在南方虽然无冻胀,但在软土地基上修建时,地基处理投资较大。

四、新型消能设计介绍
1.筛网式消能
筛网式消能是根据水力学中,过水断面突然缩小或扩大可消除水流的大部分能量,即水流能量以因断面突然缩小或扩大后产生局部损失而消能的理论为基础。

在水闸底板的后部、消力池顶部设一硷筛网,即将硷板做成网格式,使水流通过网孔下落到消力他中。

网格起到分散水流改变过水断面达到消能的目的。

下部消力池采用短深式,即长度与网板相同,深度加深,使过网水流跌落到池中,产生漩
滚以便进一步消能。

2.筛梁式消能
由于筛网式消能施工较复杂,运行中又容易被漂浮物堵塞筛孔,影响消能效果。

近几年,黑龙江省水利工作者又
采用了一种筛梁式消能的型式见图。

即在底板后部设垂直水流方向的横梁,梁间间距由密到疏。

既起到分散水流的作用,又克服了施工难度及漂浮物堵塞的不利因素。

此种方法在黑龙江省绥化等地区应用效果较好。

3.防冲板消能
防冲板消能是根据山区河道坡降大、冲刷严重致使消力池产生堵塞破坏而建造的一种面流消能的型式。

一方面在闸底板后设置一段护担，其长度比底流消能护坦短。

护坦末端设置深齿墙防冲墙，齿墙底部在冲刷高程以下0. 5-1. 0m。

另一方面，在护坦后一定间隔外设置防冲板，当速度很高的水流通过防冲板表面时，在其首部与护坦之间的空隙处形成低压区，产生向上的吸力，因而在防冲板下面形成漩滚，把下游冲坑内的砂石推移到防冲墙前，并淤积在防冲板下面，对防冲墙起保护作用。

另外防冲板下游微向上倾，把水流挑起，使冲刷坑离防冲墙远一些，也有利于水闸安全。

4自由跌水式消能
自由跌水式消能作用是由射流在水垫内扩散来进行的，由于自由下落的水舌冲击床面流向下游时，冲击点处水舌向上下游分流，故在水舌着水点的上游形成天然水垫，水垫水深在水流方向的静水压力相当于沿着自由下落水舌形式的水道，水于水垫引起的水舌扩散，使流向下游的水流的流速比沿水舌形式水道的流速要低很多，从而起到消能作用。

自由跌水式消力池一般不加消能工，但下落水舌过分集中而池后又不衬砌时，可适当加辅助消能工。

5.格栅筛网式消能工
格栅筛网消能工原理是:水流通过格栅空隙呈簿膜状漏入消能池中，使水流大改垂直流态降落。

由于改变了水流方向流态，相互撞击，分散良好，掺气充分，增大了边界摩擦力，因此消能效果显著，特别是消除了因低佛劳德数水流而产生的水面波动，使出池后水面平稳，下游渠道冲刷度轻微。

采用这种消能工是有效的，而当Froude数小于3时应用这种消能工特别适宜。

五、水工建筑物中组合式消能结构
1.筛网(或筛梁)消能与井消能结合
带跌差的闸(或跌水)在竖井上布置消力梁(或消力网)与井消能组成分层组合
式消能，实际运用是水流在井口改变方向下落直射到消力粱(或消力网)上，水流经消力梁(或消力I}xa )撞击作用消耗一部分能量，同时大量掺气，然后细小水注落到消力井后，互相撞击再次消能，经梁，井双层重复消能，效果稳定可靠.
2.消力齿，消力栅和底流消能相结合
节制闸是将传统开敞闸变成封闭闸，或是把般的封闭式闸洞外一单一设的开敞消力池段取消，把洞稍加改造，变成既能输水，消能又是闸身，同时一在洞消力池内加消力齿，消力栅，并与底流消能相配合组成多层次消能.虽然消能容积小，但经多层重复消能，其效率高.
六、水工建筑物消能设计的建议
1.设计施工中防冲槽的改进
大多数水工建筑物消能工防冲槽设计施工中多为“梯形”，这种防冲槽施工简单，在水流平稳的情况下，不会出现水流问题，但在水流不稳的情况下，消能工下游护坦将有可能被冲坏，形成大的浪窝或浪坎，并逐渐上移至防冲槽下，危及防冲槽。

笔者经多年实践将原来的“梯形”防冲槽改为“四边形”防冲槽，并进行加深处理(加深50cm即可)，通过实际运行效果明显好于前者。

2.工程运行中的管理措施
工程运行时消能工处在一种复杂的水流状态下，而对消能工稳定威胁最大的也就是下端的冲刷坑，在运行中如果能做好以下几个方面，可预防或减少出现消能工损坏的可能性。

一是尽可能地控制水流，使其平稳，避免出现过急水流或过大的横向环流;二是应经常检查闸室或建筑物水流通道，对通道中有剥蚀脱落部位要及时修补，对通道中多余的堆积物(如石头或大的淤积物)应及时清除，以保证水流平稳;三是对下游已形成的冲刷坑，并已危及消能工时，如不能及时采取有效的抢修措施，则可采用在护坦或海漫末端做潜坝奎高水位减少水头差，缓和冲刷破坏。

3.出现冲刷坑的维护方法
一旦出现危及建筑物的冲刷坑，应及时进行维护。

在无水(水少)情况下，可采用打排桩砌土袋法。

桩木直径为20cm左右，长度可视情况而定，桩深应在土下0.5m以下，桩距在0.8一1.0m左右，排距视情况而定。

土袋装成七分满、封口，在堆砌土袋时，最外侧土袋口应向内，并紧紧夹持木桩，形成土袋与木桩相互牵制。

以防土袋过高时侧向压力过大动摇木桩。

土袋应逐层铺置，靠拢压实，上下层袋缝错开，并逐渐收缩，上边用大块石压好或铁丝网住，以防水流冲走土袋。

在正常用水情况下，可采用抛石的方法进行临时护砌。

如果水流过大，则采用抛铁丝石笼的办法，石笼直径在1m以内，长度2m左右，并连成一体。

如果冲刷坑危及岸坡并已有坍塌，一时又无法维修，则可用土工织物(无纺布、苫布等)裹住松动岸坡，用抛石法压住可阻止坍塌。

结束语
水工建筑物消能设计是水工建筑的重点，消能设计是一个非常复杂的工程，受多方面因素的影响。

因此设计中要尽可能多的考虑每一个因素，这样才能做出合理的消能设计。

参考文献：
[1]陈芸. 水工建筑消能设计要点[J]. 水利工程，2011（30）.
[2]孔媛媛. 水工建筑物消能设计的相关建议[J]. 科技前沿. 2010(21).
[3]陈雯. 浅谈水工建筑消能设计[J]. 科技风. 2011(30).。