19、水利工程中的消能设施：类型、原理与设计

水利工程中的消能设施：类型、原理与设计

1. 消能设施概述

在水利工程中，消能设施起着至关重要的作用，它能够有效消耗水流的能量，减少水流对下游河道和建筑物的冲刷和侵蚀。常见的消能设施有挑流鼻坎、消力戽等，不同类型的消能设施适用于不同的工程条件。

2. 挑流鼻坎

2.1 适用条件与工作原理

挑流鼻坎，也被称为滑雪跳消能工，适用于尾水深度较低的情况。如果采用水跃消能工，可能需要进行大量的开挖工作。此外，下游区域的岩石质量要好，具有较强的抗侵蚀能力。其工作原理是将水流以一定的角度抛出，使水流在远离溢洪道的地方冲击河床，形成一个大的冲刷坑。最初，水流的冲击会导致河床底部被冲刷和侵蚀，随后，被侵蚀的岩石碎片在冲刷坑内像球磨机一样运动，进一步扩大冲刷坑的范围。为了控制侵蚀并使冲刷坑保持在理想的位置，可以在首次泄洪前开挖一个水垫塘。

2.2 水流能量消散过程

在挑流鼻坎的运行过程中，水流的能量主要通过两个阶段消散。当水流在空中飞行时，一小部分能量会因内部湍流和周围空气的剪切作用而消散。然而，大部分能量是在水垫塘中消散的。

2.3 挑距计算

从挑流鼻坎的边缘到水流冲击河床的点的水平挑距 $x_b$ 可以通过以下公式计算：
$$\frac{x_b}{h_o} = \sin 2\alpha + 2\cos\alpha\sqrt{\sin^2\alpha + \frac{y_b}{h_o}}$$
其中，$y_b$ 是挑流鼻坎边缘高于河床的高度，$\alpha$ 是挑流鼻坎与水平轴的夹角，$h_o$ 是挑流鼻坎边缘的速度水头。

如果挑流鼻坎边缘与河床