挑流消能设计

通过泄水建筑物末端的鼻坎，将下泄的高速水流挑向空中，然后跌入下游河道的消能方式。挑流消能是依靠水流在空中的扩散、与空气的摩擦和掺混、跌入水垫时的扩散与碰撞，以及在水股两侧形成的漩滚等，消耗分散水流的能量。

挑流消能不需保护下游河床，设计施工简便，工程量少，投资省，能适应下游水位的较大变幅和便于检修。但下游水流波动大，当河床基岩破碎时可能造成严重冲刷，河床狭窄、岸坡陡峻时，可能引起岸坡塌滑。冲刷或塌滑的堆积物可能影响航运，或壅高尾水，降低水电站出力。挑流时在空中产生的雾化现象，对交通、输电和生活条件带来不利影响。挑流消能多应用于高、中水头泄水建筑物，特别是水垫区的岩石比较完整、抗冲能力较强的工程。

挑流消能工的类型，按鼻坎形式可分为连续式、差动式和扭曲式等。连续式鼻坎构造简单，坎上水流平顺，不易产生空蚀，水股挑距远； 差动式鼻坎 有矩形齿坎和梯形齿坎两种，消能效果较连续式好；扭曲式鼻坎能适应挑出水流转向的要求。差动鼻坎和扭曲鼻坎的挑距较连续式为小，且易发生空蚀，施工也较复杂。常用的是连续式鼻坎。

挑流消能设计要尽量满足挑距远、水股入水角小、水股在空中扩散和掺气程度大等要求。设计内容包括：选定鼻坎形式、反弧半径（R）、坎顶高程和挑角（θ），估算水舌挑距、冲坑最大深度以及对建筑物和岸坡的影响等。对于连续鼻坎，一般取R＞（4～10）h，h为校核洪水位闸门全开时反弧段最低处的水深，流速高或单宽流量大时R选用大值；（θ）一般选用15°～30°，要求配合R能取得较远挑距；坎顶高程应能保证自由挑流。对于差动鼻坎，要注意齿坎形式的选择，当坎上流速大于16～18 m/s时，应合理选择齿形坎与槽坎的挑角差及各自的R，以防齿形坎侧壁发生空蚀，必要时采用通气减蚀措施。挑流消能的水舌挑距（L）按水外缘计算（见图），计算公式为

式中，g为重力加速度，m/s ² 。其余符号的意义见图。

岩基河床冲坑深度t（m），可按下列经验公式估算：

式中，q为单宽流量，m ³ /（s·m）；k为冲坑系数，坚硬完整的基岩k=0.9～1.2，坚硬但完整性较差的基岩k=1.2～1.5，软弱破碎或裂隙发育的基岩k=1.5～2.0；Z、h _t 的意义见图。

溢流坝的挑流消能示意图

L及t的计算，目的是审查冲坑是否会影响坝体和地基的稳定。大泄量、高水头、地质条件不良或采用新的鼻坎形式的工程，其挑流消能的设计需通过水工模型试验验证。为防止小流量时对挑坎下游的局部冲刷，对挑坎下游应予以保护。

挑流消能自1933年西班牙里科贝约（Ricobayo）枢纽左岸溢洪道首先采用以来，已广泛应用于岸边溢洪道、溢流坝、泄水孔、泄洪隧洞和顶部溢流的厂房等建筑物中。中国高水头泄水建筑物中采用尤多。乌江渡水电站的全部泄水建筑物均采用挑流消能，其中左岸泄洪隧洞最大单宽流量为240 m ³ /（s·m），最高水头104 m，反弧段最大流速达43.1 m/s。