从闸坝等水工建筑物流出的高速急流向下游河道中缓流的转变形式与水流中巨大动能的消减。在河道上修建闸坝，上游水位抬高，其泄水前沿常小于原有河宽，使泄出的水流流速高、单宽流量大、能量集中，而下游河道正常情况的水流分布较均匀、流速较低，于是产生两种水流的衔接问题。上下游水流的能量差称为余能，一般都很大。如不能妥善消除，将冲刷河床、河岸，形成不利的流态，影响建筑物的安全与正常运用。

进行水流衔接与消能的水力分析，应先确定建筑物泄出水流收缩断面（即最小断面）的水深hc和流速V_c。对建筑物上游及收缩断面应用能量方程即可求解hc。对闸坝出流可用下式计算：

建筑物下游水流衔接和消能

式中 T₀为以收缩断面槽底为基准的上游总水头；A_c为收缩断面面积；Q为泄流量；φ为流速系数，一般φ＝0.80～0.95，也有经验公式可查。同时，要根据下游河道在正常流动的水位流量关系，确定在泄流量Q时的下游水深h_t。有了h_c和h_t的资料即可进行衔接和消能的分析。常用的衔接消能方式分为底流型、面流型与挑流型三种基本型式。

底流型的衔接与消能 建筑物泄出的急流贴槽底射出，通过水跃转变为缓流与下游水流衔接。余能的消除主要是利用水跃的作用。这种方式衔接消能段中，高速的主流位于底部，故称为底流型。设出流收缩断面水深h_c所要求的共轭水深为，将与下游水深h_t比较，有三种可能的衔接形式（见图1）：①如h_t＝，水跃恰好在收缩断面发生，成为临界水跃式的衔接。

图1 底流衔接的三种形式

②如h_t＜，水流从收缩断面处经过一段距离，水深增至（h_t的共轭水深）才发生水跃，成为远驱水跃式的衔接。③如h_t＞，尾水将淹没收缩断面，成为淹没水跃式的衔接。其中临界水跃式衔接的消能效率较高，要保护的河床亦最短。如出现远驱式水跃的衔接，建筑物至水跃前有相当长一段水流为高速急流，对河床冲刷能力强，需要保护的范围很长，因此常要建造消力池（静水池），使在池中形成临界水跃或淹没水

图2 降低护坦的消力池

跃。考虑的原则是设法局部增大水深。基本方法有两种：①降低槽底护坦高程（见图2）。这种消力池的水力计算是已知总水头T₀、流量Q（矩形断面池为单宽流量q）及下游水深h_t，求护坦降低值即池深S，使池内水跃保证稍有淹没。池末水深应为

建筑物下游水流衔接和消能

式中 σ为淹没安全系数，一般取1.05～1.10。池末出口水流类似宽顶堰，水面跌落△Z，即

建筑物下游水流衔接和消能

对池末断面分别与上游及下游写能量方程可得

建筑物下游水流衔接和消能

图3 采用消能墙的消力池

联立求解上列四个方程即可确定四个未知量：、、△Z和S。φ值按建筑物性质选定，φ＇可取0.95。实际工作中也有确定池深S的各种简化方法。②在护坦末端建造消能墙（见图3）。这种消力池是利用消能墙局部壅高水位，使池内形成具有一定安全系数的淹没水跃。水力计算主要在确定消能墙的高度c。水流经墙顶下泄属于实用堰流。可按下列各式联立求解：

建筑物下游水流衔接和消能

式中堰流系数m一般可取0.42。淹没系数σ_s＝f须查有关图表确定。如＜0.45，墙顶不淹没，σ_s＝1.0，此时应检查墙下游是否会发生远驱水跃。如发生远驱水跃就要造第二级消力池。或改变设计，例如降低墙高，同时降低池底高程形成综合式消力池，其水力计算方法与上述类似。实用上也有绘制辅助图表简化计算的各种方法。消力池应有足够的长度使池内能形成良好的水跃。从收缩断面起算的消能池长度l_B可取

l_B＝(0.7~0.8)l_j,

式中 l_j为平底自由水跃的长度。如按l_j＝6.1。计算，则

建筑物下游水流衔接和消能

为了提高消能效率，缩短池长，减小池深，改善出池流态，可在消力池中加设各种辅助消能工。常见的消能工有布置在池入口处的分流齿，池内的消能墩以及池末的齿槛等。但要注意在流速较高时，设在消力池前部的消能工容易发生空蚀。消能工种类繁多，也有些设有消能工的消力池定型设计。对重要工程，消能方案要通过模型试验确定。从消能池流出的跃后水流，流速分布多不正常，脉动强度也大，对河床仍有较大的冲刷能力，在河床抗冲能力不足时常要修造海漫保护。迄今尚无成熟的海漫水力计算方法，一般海漫长度为自由水跃长度的1.6～2.4倍。

面流型和混合流型的衔接与消能 为使建筑物泄出的高速水流和河床隔离以减轻冲刷，在出流部分做成跌坎形式，水流从坎上射入下游水域的表层，形成面流型或混合流型的衔接，大体上可分为两种类型：①水平或小挑角跌坎表面射流的衔接。这种跌坎射流的衔接形式随下游水位的高低变化较大。当坎高a不太小时，在平面二维流动其变化序列如图4所示。在一定的水头下泄出一定的流量时，随着下游水深h_t的增大，衔接流态由底流依次转变为面流、混合流、淹没混合流、淹没面流，当h_t很大时还可能出现回复底流。如泄出单宽流量较小，也可能由纯面流直接演变为淹没面流。面流衔接主要由底部漩滚消能，具有底流速较低和利于排木、排冰等优点，但主流位于表面，水面波动较大且延续较远，对岸坡稳定与航运条件均有不利影响。且流态多变，对尾水条件要求较高。②消力戽的水流衔接。在溢流坝脚造成反弧和大挑角的凹面戽勺称为消力戽。当下游有足够水深，在一定的上下限之内，消力戽出流的衔接如图5所示，在戽内形成表面漩滚，主流仍贴戽底射出，挑起形成涌浪，戽坎前主流下面产生反向的底部漩滚，有时在涌浪下游还会出现一个较小的表面漩滚，这是较典型的戽流流态。它是一种底流和面流混合的衔接形式。戽流的消能效率一般高于平底自由水跃，主流在表层，底流速较小，但下游水面波动也对两岸有不利影响。面流和戽流的水力计算已有一些半经验或纯经验的关系式，但因流态复杂多变，一般多要通过模型试验选定合适的设计方案。

图4 面流衔接的流态演变

图5 消力戽的稳定戽流

挑流型的衔接与消能 在建筑物出流部分采用鼻坎将泄出急流射入空中，降落在距离建筑物较远的地点与下游水流相衔接如图6所示。由于紊动作用射流在空中逐渐扩散并掺带空气，落入下游水垫后在水中继续扩散，流速渐减，同时在主流两侧上下游形成两个漩滚。余能主要是在水垫中消除。一般情况河床都会被冲刷形成冲刷坑。冲刷坑的位置和大小与建筑物的安全密切相关，因此挑流射程和冲刷坑深度是两个主要的水力计算项目。①挑流射程：挑流的理想射程可按计算自由抛射体的轨迹方法推得关系式：

建筑物下游水流衔接和消能

式中 L为从鼻坎起算的水平距离；v₁为出射流速；θ为出射角，近似采用鼻坎的挑射角；当水股跌落至水面时y＝Z-S＋cosθ，当跌落至原河床面时y＝Z＋h_t-S＋cosθ。S为上游水面至坎顶高度差，Z为至下游水面落差，h ₁为坎顶水深。，

φ为建筑物中损失的流速系数。实际射程由于空中损失、出射角和鼻坎挑角有差异等因素而比理想射程略小，有一些计算实际射程的经验公式，可参考有关文献。②冲刷坑深度估算：挑流消能主要用于岩石河床，冲坑深度决定于射流的冲刷能力和河床的抗冲能力，因素复杂，目前只能用经验公式估算。常用经验公式的形式为

t_s＝Kq^mZⁿ

式中 t_s为稳定冲坑水深，q为单宽流量，Z为上下游落差，单位均以米计。指数m＝0.5～0.75，n＝0.1～0.25。K为冲刷系数，主要决定于河床岩石性质，和射流入水角度、分散掺气程度等也有关。初步估算如取m＝0.5，n＝0.25，K值见表：

冲刷系数表

以上各类衔接消能方式的分析都限于二维平面问题。水流衔接消能的空间问题的理论更不成熟，实际工程常要做整体模型试验来确定方案。