3 消力池和海漫的功能分工

底流消能是将上游已把位能转化为动能的下泄水流，与下游水体产生剧烈的碰撞，在水体上方形成水平轴的渗气旋滚来达到消煞能量的目的。由于底流消能的流态较稳定，消能效果较好，可适应较大范围内流量和下游水位的变化，还可适应不同的地质条件，尤其是软基河床，在中小型工程中应用较多。由于水闸的工作水头不大，而如今施工开挖的综合能力较强，用底流消能的水闸原则上宜用一级消能。这除了节省工程量的原因外，还有水力学上的考虑。众所周知，确定水闸消能设计的工况不是最大流量，也不是小流量，而往往是弗汝德数不大的中等流量。下文将说明弗汝德数越小，水跃消能的效果越差。如果未经严格的论证而较随意地采用二级消能，不仅增大工程造价，还可能给工程的设计、运用和管理设置水力学和结构布置的难题。

工程上衡量底流消能效果的不是理论上的消能系数，即消力池消煞的能量和跃首能量之比，而是更关注出消力池断面的平均流速、断面流速的不均匀程度和断面水流的脉动强度。消力池的任务首先应把出消力池的断面平均流速降低至尽量接近下游河道天然状态下动力平衡的平均流速的水平。若以Q表示计算流量、A为出池断面的过水面积、为出池断面的平均流速、V_n为下游河道天然状态下相应于流量Q的动力平衡平均流速，则应有

消力池的第二个任务是使出池流速沿横向尽量均化，如果消力池水流基本上呈现二维的流态，以q表示出池的单宽流量、t为出消力池水深，则上式变为

消力池后紧连着的是海漫，它主要的任务之一是降低消力池护坦底部的渗透压力，尽可能使海漫，特别是它始端底部的渗透压力削减到与从下游水面计算的静水压力相同，从而减小消力池护坦乃至整个建筑物底部的渗透压力及其形成的浮托力。海漫的另两主要任务是逐渐削减出池水流中的脉动压力和逐渐调整出池水流的流场，使它与下游天然河道的流场平顺衔接，尽可能减少对下游河槽的影响，因而海漫上各过水断面的平均流速均不应大于它始端的平均流速。海漫应采用有一定抗冲能力的材料和有良好疏水性的结构，采用混凝土海漫时应设置有足够过水面积的、底部有可靠反滤垫层的排水孔。图1为广东省近10年复建的某较大水闸工程消力池后的海漫，由于海漫用混凝土整体浇筑，排水孔稀疏且孔径小，且绝大部分在施工期已被堵塞，出消力池后的渗透压力未被削减，导致海漫被大面积抬动，个别排水孔出水如喷泉；其上游的消力池底板亦只有个别排水孔喷出的水柱高于水面，可知整个消力池底部存在远超过设计预期的、较强的渗透压力，若不及时处理，不排除陡坡和消力池今后有被渗流托起从而导致破坏的可能。

图1 某水闸完建时已发现整体混凝土海漫隆起和排水孔喷水

出消力池后断面的平均流速按设计要求下降到接近于天然河道的动力平衡流速后，水流的单位能量可以用下式^［2］表示：

式中：z和p分别为下游所关注断面的水位和静水压力；α_s为断面上流速分布不均匀产生的动能改正系数；α_p为水流脉动产生的动能改正系数，等于脉动动能与平均动能之比；α₂=α_s+α_p。

在消力池末端虽然断面平均流速已降低到设计值，但水跃旋滚产生的紊动和脉动仍较强，延伸范围较远，需经过表面有一定粗糙度、有一定透水度的海漫来尽快将紊动和脉动压力降低，并对流场进行调整，使之与下游河道的流场较平顺地衔接，不会引起河道的不利变形。

从上述分析可见，在底流消能中，消力池和海漫的功能各有不同，不能混淆。图2为常见于一些水力学教科书和设计手册中形成消力池的方法。大量工程运用的经验证明，如果不加思考地照此搬用，所设计的消力池后患很多。图2（a）为通过抬高池尾海漫高程来壅高消力池尾水位，使之产生符合要求的、大于第二共轭水深的水深；但如果池尾的水面落差Δz过大则导致出池流速V₂较大，只能通过水流与海漫的相互作用来降低流速，在海漫抗冲能力不足时可能使海漫受冲破坏；若经海漫后流速和流场仍未能与下游平顺衔接，那么只能待水流出海漫后，通过与河床的相互作用，引起河床变形来消能、削减流速和调整流场，这样的消力池设计不能算成功和合理的。

图2 两种常见消力池的型式

图2（b）所示的用加尾坎来形成消力池，同样是顾前不顾后，只满足于在消力池内产生完整水跃，没有注意加尾坎后坎上的流速较大，海漫可能无法将它削减，不但会使下游河床发生冲刷变形，若在尾坎后的海漫上发生二次水跃就可能将海漫冲毁，这方面已有过不少教训，这种形式的消力池是更不合理和不成功的。