本发明涉及水利水电工程泄洪消能领域，具体为基于单位水体消能率和基岩抗冲流速相耦合的消能安全评估方法。
该方法首次将水利水电工程泄洪消能的单位水体消能率和消能区基岩抗冲流速两个水力学指标进行耦合计算，提出了消能安全指数，可用于评价水利水电工程泄洪消能的安全性与经济性。
背景技术：
随着我国水利水电事业的发展，越来越多的水利水电工程已经建成或者正在修建。在水利水电工程设计中，泄洪消能是一项极其重要的设计内容，其安全性及经济性直接影响到水利水电工程的运行安全及工程投资。
对于水利水电工程泄洪消能而言，影响其消能效果及安全的主要因素包括消能水体和消能区基岩两个方面：
(1)当泄洪水流进入消能区后，利用水垫塘内水体紊动进行消能；一般而言，消能区内水体体积越大，水体利用率越高，消能效果越好，通常利用单位水体消能率作为消能区消能效果的指标，也是泄洪消能设计研究难易程度的一种评价指标。
(2)泄洪水流在消能区进行消能时，消能区内水体紊动剧烈，将对消能区边坡和底部造成冲刷，从而可能影响边坡稳定及枢纽建筑物运行安全，因此消能区的抗冲性能是影响泄洪消能安全乃至工程运行安全的重要影响因素，若消能区岩体抗冲条件较差，则需要采取必要的防护措施以增强消能区的抗冲性能。
当前，水利水电工程泄洪消能设计过程中，大都利用单位水体消能率和基岩抗冲流速来评价泄洪消能安全，但两者相互独立，分别仅仅体现了泄洪消能的某一个方面，无法全面的对水利水电工程泄洪消能的安全性与经济性进行评价，目前尚无综合考虑这两方面因素的综合评价方法。因此有必要提出新的消能评估方法，以便对水利水电工程泄洪消能设计提供技术支撑。
技术实现要素：
为改善目前水利水电工程泄洪消能安全性与经济性评价方面的欠缺，便于在工程设计前期快速判断泄洪消能安全性及经济性，以尽快明确泄洪消能设计思路及主要设计方向，进而拟定泄洪消能设计方案，减少设计方案比选论证工作量，加快设计进度，本发明提出了基于单位水体消能率和基岩抗冲流速相耦合的消能评估方法。
本发明的目的是通过如下措施来达到的：单位水体消能率和基岩抗冲流速相耦合的消能评估方法，其特征在于它包括：利用单位水体消能率和消能区基岩抗冲流速两个水力学指标进行耦合计算，得到消能安全指数。
(1)计算确定单位水体消能率和消能区基岩抗冲流速；
根据工程的枢纽布置和泄洪建筑物设计情况，计算不同工况的下泄流量、泄洪水头落差、泄洪功率及消能区水体体积，据此计算各工况下消能区的单位水体消能率；
根据消能区的地形地质条件以及岩体物理力学性质，明确消能区岩体的抗冲流速取值；
(2)消能安全指数计算
对于水利水电工程泄洪消能设计而言，其单位水体消能率越低、消能区岩体抗冲流速越高，则采用天然水垫消能的安全性越高；基于此，研究提出了基于单位水体消能率和基岩抗冲流速相耦合的消能安全指数，计算公式如下所示：
其中，w为消能安全指数，无量纲；e为单位水体消能率(kw/m3)；v0为消能区岩体抗冲流速(m/s)；γ为消能区水的容重(kn/m3)。
(3)泄洪消能安全性与经济性评价
对于水利水电工程泄洪消能设计而言，单位水体消能率越低、消能区岩体抗冲流速越高，则消能安全指数越大，此时泄洪消能安全性越高，在泄洪消能设计中需采取的结构设计方案及工程措施越少，经济性越好。因此，可将消能安全指数w作为泄洪消能安全性与经济性的评价指标：w越大，工程泄洪消能安全性越高、经济性越好。
本发明与现有技术相比，提出的消能安全指数综合考虑了泄洪消能的两种影响因素：消能水体和消能区基岩，首次将单位水体消能率和消能区基岩抗冲流速两个水力学指标进行耦合计算，可更加系统全面的对泄洪消能安全性与经济性进行评价，弥补了泄洪消能安全性与经济性评价方面的技术空白。利用该消能安全指数，可在工程设计前期快速判断泄洪消能安全性及经济性，可尽快明确泄洪消能设计思路及主要设计方向，进而拟定泄洪消能设计方案，减少设计方案比选论证工作量，加快设计进度，降低设计难度及设计成本。
具体实施方式
下面详细说明本发明的实施情况，但它们并不构成对本发明的限定，仅作举例而已，同时通过说明本发明的优点将变得更加清楚和容易理解。
单位水体消能率和基岩抗冲流速相耦合的消能评估方法，其特征在于它包括：利用单位水体消能率和消能区基岩抗冲流速两个水力学指标进行耦合计算，得到消能安全指数；
主要技术方案包括：
(1)单位水体消能率和消能区基岩抗冲流速计算
水利水电工程泄洪消能设计的两个重要水力学指标分别为单位水体消能率和消能区岩体抗冲流速，因此首先需要对两个水力学指标进行计算确定。
第一：根据工程的枢纽布置和泄洪建筑物设计情况，计算不同工况的下泄流量、泄洪水头落差、泄洪功率及消能区水体体积，据此计算各工况下消能区的单位水体消能率。
第二：根据消能区的地形地质条件以及岩体物理力学性质，明确消能区岩体的抗冲流速取值。
其中的单位水体消能率和消能区基岩抗冲流速计算为现有技术。
(2)消能安全指数计算
对于水利水电工程泄洪消能设计而言，其单位水体消能率越低、消能区岩体抗冲流速越高，则采用天然水垫消能的安全性越高。基于此，研究提出了基于单位水体消能率和基岩抗冲流速相耦合的消能安全指数，计算公式如下所示：
其中，w为消能安全指数，无量纲；e为单位水体消能率(kw/m3)；v0为消能区岩体抗冲流速(m/s)；γ为消能区水的容重(kn/m3)。
(3)利用消能安全指数对泄洪消能安全性与经济性评价
对于水利水电工程泄洪消能设计而言，单位水体消能率越低、消能区岩体抗冲流速越高，则消能安全指数越大，此时泄洪消能安全性越高，在泄洪消能设计中需采取的结构设计方案及工程措施越少，经济性越好。因此，可将消能安全指数w作为泄洪消能安全性与经济性的评价指标：w越大，工程泄洪消能安全性越高、经济性越好。
经理论计算并结合施工论证：一般消能安全指数大于4可以直接采用天然水垫塘进行消能区岩体抗冲消能。
本发明首次通过消能安全指数计算来确定水利水电工程泄洪消能的安全性；克服了现有将单位水体消能率和消能区基岩抗冲流速单独用于泄洪消能安全性评估的缺点；特别是当现有的单位水体消能率低，消能区岩体抗冲流速低；及当现有的单位水体消能率高，消能区岩体抗冲流速高时无法评价水利水电工程泄洪消能的安全性的难题。其它未详细说明的均属于现有技术。