1.3 基本理论
1.3.1 溢洪道的消能型式
泄水建筑物的消能，一般可分为底流、面流（包括戽流）和挑流消能三大类。据袁银忠（1997）统计，我国已建坝高30m以上的水电工程的消能设施中，采用挑流、面流和底流消能者分别占78.2%、14.5%和7.3%。可见，高坝工程中大多数采用挑流消能，国外也有这种趋势。但在低坝和泄水闸工程中，则多采用底流、面流消能。
1.挑流消能
挑流消能具有工程量小、投资省、施工简便等优点，对高、中水头工程有较好的适应性。在岩基好的工程中已广泛采用，并已经成为高水头、大单宽流量泄水建筑物的有效消能方式。随着高山峡谷中兴建高坝的增多，新的挑流消能工不断出现，它们共同的特点是通过设置不同位置、不同角度和不同形式的挑流坎，强迫能量集中的水流发生纵向、横向和竖向的扩散和冲撞，增加水流与空气接触面积，促进紊动水气掺混，扩大射流入水面积，减小河床单位面积上的冲击荷载，以达到减轻冲刷的目的。研究新型消能工，很多问题的解决需依赖原型观测与模型试验的结合。
挑流消能由建筑物的摩阻消能、水股空中扩散消能及冲坑水垫中紊动剪切消能组成。一般说来，前两者消能效率约为20%左右，而水垫消能效率约为50%左右，见图1-1。
图1-1 挑流消能方式示意图
由于挑流消能方式一般不需要对下游河床设置大体积保护工程，故工程费用节省很多，设计与施工均较简便，因而在国内外应用相当广泛。但是，挑流消能的下游局部冲刷问题常很严重，尤其是峡谷河道高陡岸坡的稳定问题及挑流雾化问题，需充分重视并采取有效措施加以保护。挑流消能的雾化问题必须予以重视，雾化严重的地点甚至暴雨成灾，有些电站曾因雾化发生过高压开关短路和淹没厂房的事故，切断进厂交通。黄龙滩电厂曾因厂房布置在雾化严重区而发生上述事故。刘家峡、石门、白山等电站也曾出现过类似问题。
近年来，随着高坝大流量泄水建筑物的兴建，挑流新型消能工的研究和实践取得了不少进展。利用急流段设置不同形式坎型，改变射流水股的断面形状，使之发生竖向及纵向的收缩与扩散。从而，由于大量掺气而增强消能效果；也可使水股分流，利用冲击波和水冠，改变水股流态来增加消能作用，如窄缝坎和宽尾墩等；还有在枢纽布置中，将各建筑的挑坎水流上下前后分开起挑，使水股定向抛射和落点错开，以避免对河床及岸坡的集中冲刷；再者利用高低坎使水股上下撞击，利用两侧滑雪道使水股左右对冲，以达到消能的目的。
2.面流消能
面流和戽流消能方式对于中、低水头（下游尾水较深且水位变幅不大）的建筑物消能有较好的适应性（袁银忠，1997）。面流消能是在建筑物的出流部分采用较小挑角的跌坎，将泄出的急流射入下游水体的表层，并在坎后形成底旋滚，使高流速主流位于表面部分，以减轻对河床的冲刷，利用主流与底旋滚的相互作用力及主流的沿流扩散来消能。面流消能有利于漂木和排冰，具有工程量小和施工期短的优点，能较好地适应丰水河道；戽流消能则是利用较大反弧半径和较大挑角戽坎形成的凹面戽勺，使高速水流受到下游水体的顶托，在戽勺内形成表面旋滚，且在库后形成涌浪，然后沿下游水面扩散，并在戽后主流下面产生底部旋滚，有时在涌浪下游还出现表面旋滚，呈典型的“三滚一浪”戽流流态。实质上，是底流和面流相混合的衔接形式（图1-2）。戽流是利用主流水股与底流、面流的相互作用，以及涌浪后水股的扩散来消能的，其总体消能效率一般高于平底自由水跃。一般不需建库后护坦，工程造价较低。
图1-2 消力戽消能示意图
主要问题是传送至下游的水流余能大，水面波动较剧烈，影响距离较远，造成岸坡冲刷，对航运不利。如石泉电站为戽流消能，距县城千余米，泄洪时沿岸波浪很高，造成两岸严重的冲刷。富春江电站为面流消能，泄洪时下游两岸也有冲刷问题，航运受到一定影响。此外，还有下游的旋滚带动砂石冲击磨损戽面和相邻边墙以及淘蚀基础等问题。如龚咀溢流坝的面流消能，在表面流速30m/s的情况下，底部产生很大范围的强烈旋滚，带动了砂石，使周围的漂木道的软弱基岩和厂房基础侧面混凝土发生严重的冲击磨损。目前这些问题的计算方法尚不成熟，在某些情况下，一般都依赖模型试验来确定工程布置与尺寸。但由于原型河床不易模拟相似，原型实际发生的流态往往与模型有一定的差别。所以，加强原型观测，研究消能工的体型和适用范围很重要。
3.底流消能
底流消能的特点是适应性强，对高、中、低水头均能适用。水头越高，消能率越大，并有尾水衔接好、紊动波动小、流速分布均匀等优点。但是，在消力池布置及运行中也存在一些问题。国内外一些工程的运行经验表明，消力池损坏和尾水渠发生意外冲刷的主要原因有：底板下的排水系统设置有问题；对高速水流的动水荷载和地基特性未充分考虑；施工质量存在问题等。
底流消能主要是靠水跃进行消能，水跃的消能机理如下：在水跃段中，主流与表面水滚的交界面附近的时均流速梯度很大（袁银忠，1997）。该区域是产生旋涡的源地，流速梯度愈大，旋涡强度愈大，从而产生的紊动就愈加强烈。通过紊动掺混过程，使水流的动量、能量以及紊动涡团本身沿横向、纵向扩散，使水流的运动特征沿水深和沿流向不断获得调整。与此同时，紊动掺混过程伴随有强烈的附加切应力，使水流的部分机械能迅速地转化为热能而耗散掉，所以交界面也是水流机械能消耗最集中的区域。这是由于紊流中的大尺度旋涡通过拉伸、变形，使旋涡尺度逐步变小，最后通过液体的黏性作用将能量转化为热能而消散。消能示意图见图1-3。
图1-3 底流消能示意图
随着技术的不断进步，底流消能演化出很多新型消能工形式（袁银忠，1997）。
（1）混合式消力池。西班牙的卡斯特罗（Castro）拱坝（高56m），溢流坝设4孔，总泄量为10500m3/s。由于河床狭窄，仅有35m宽可布置消力池。经试验，确定中间为2孔消力池，两个边孔开挖成较高的泄槽，成为混合式消力池。两侧泄槽水流进入消力池，增加了与主流的混掺消能作用。
（2）平面收缩消力池。苏联萨扬-舒申斯克重力拱坝（高242m），为避免水流向心集中和产生回流，将消力池做成平面收缩式，由123m收缩为97m，消能效果良好。
（3）设导流墙的消力他。西班牙的圣·埃斯持班（San Estbam）拱坝（高115m），泄流量较大，河床狭窄。经模型试验研究，在坝趾处设3条导流墙，下接二道坝的消力池。
（4）多级消力池。巴基斯坦的曼格拉工程主溢洪道，经多年研究，选用二级消力池方案。
（5）宽尾墩和消力池联合消能工。中国安康水电站由于在枢纽布置上存在高水头、大流量、偏流向、软基岩等特点，多年来，比较了挑流、面戽流、库式消力池及二级消力池等多种消能方案，最后选用了在表孔坝段设宽尾墩与坝下消力池联合消能的布置型式。
4.其他消能型式
除了上述几种基本的消能方式外，近年来出现了一些特殊的消能方式。如冲击、喷射和深井消能。还有联合消能，如宽尾墩-底孔-消力池联合消能方式，五强溪水电站就采用了这种联合消能方式；潘家口水电站采用了宽尾墩-挑流联合消能；岩滩水电站采用了宽尾墩-戽式消力池联合消能。
1.3.2 陡槽弯道水流
当由于地形、地质条件限制，泄槽不得不设有弯段时，仍应力争将其置于流速相对较低段，并采用较大的转弯半径Rc，一般要求Rc≥10b，这里，b为槽宽，见图1-4（袁银忠，1997）。弯段急流流态复杂，连续转折的边墙，不仅因受离心力作用导致断面外侧水深加大，内侧水深减小，而且因边墙迫使水流转向，产生冲击波，从而无论沿纵向还是横向都有水深的剧烈起伏。
现以图1 4所示的圆弧曲线等宽弧形槽为对象进行分析。流速为v的急流从直段进入弯段后，由于外墙向内偏转，从A点开始发生冲击波，使水面壅高，正扰动线沿AB方向；同时由于内墙向外偏转，从A′点开始水面降落，负扰动线沿A′B方向，两线汇交于B点。B点以下两墙的扰动便互相影响，扰动将不再沿直线传播，而分别沿BD和BC曲线传播。结果ABC区是只受外墙影响的范围，水面沿程增高，至C点达到最高；A′BD区是只受内墙影响的范围，水面沿程降低，至D点达到最低。CBD以下受两墙交互影响，不断发生波的干涉和反射并传向下游。
图1-4 简单圆弧弯道
工程上消减弯道段急流冲击波的措施，从原理上说主要有两类：
（1）给槽内流体施加一个侧力，使水流平衡不受干扰。槽底超高法是属于这类的主要方法。见图1 5，该法使槽底具有与水面相平行的横向坡降，从而使沿横向坡度的重力分量与离心力等值反向而达到平衡。采用这种方法时，槽底超高在曲线两端要渐变引入，以免由水平槽底突变成超高槽底，或由超高槽底突变为水平槽底时引起强干扰。渐变引入超高时，平面上也应加渐变曲线，其曲率半径从直段末的无穷大逐渐变小到有限值Rc，然后又从Rc变到下一直段起点的无穷大。为此，可考虑用渐变线布置。
图1-5 陡槽弯道段槽底超高法布置
图1-6 陡槽弯道段复曲线布置
（2）在弯道段曲线的起点和终点引入另一种干扰，使原来受到的干扰得到抵消。弯道段用复曲线布置就属于干扰处理方法。见图1 6，弯道段由3段曲线组成，中间段半径为Rc、中心角为θc（可视需要取任何值），为主曲线段，其前后各接半径为Rt、中心角为θt的捕曲线段。由前述冲击波理论可知，为使从A′点出发的反干扰最有效地抵消从主曲线段起点B出发的正干扰，有了从AA′到BB′的前辅曲线段后，水流从直段进入此段后，水面内外侧高差将逐渐加大到仅由离心力决定的平衡值，并在主曲线段全程保持这种状态。