宽尾墩联合消能原理和类型综述

宋媛媛 重庆交通大学

1.引言

宽尾墩是中国林秉南教授首创的一种新型消能工具。主要是利用宽尾墩的堰顶收缩形成射流，在消力池中产生三元水跃，水流的能量于空中散失，从而减小了消力池的长度，节约了工程量并且减少了工程经费。宽尾墩的首创减少了对河岸的冲刷，解决了坝工建设提出的高坝窄河谷、大流量等泄洪消能的技术难题，因此国内外对宽尾墩消能仍在不断探索中。本文对宽尾墩水流特性及消能的原理及宽尾墩联合消能进行了简单阐述与总结,提出了目前存在的问题，并对其今后可能研究的方向提出了建议。

2.宽尾墩的水流特性及消能原理

2.1 宽尾墩的水流特性

宽尾墩消能就是将闸墩尾部通过直线或者曲线沿程加宽，迫使水流在墩的尾部进行横向收缩，水流经过墩后向四处扩散，由传统的二元水跃转变特殊的三元水跃。墩加宽后水面会产生壅高，流出的水流会由于保持原来状态而形成一道“水墙”。肖兴斌[8]指出由于空气接触面积大且两侧水流都是紊流，水流的掺气量增多，可防止坝面腐蚀。墩后会出现空腔，呈现出大面积无水区。水流落下后打到墩尾，墩尾对其产生托扶作用，使水表面向上壅高，两侧水流并不稳定运动，使得掺入空气量增多，从而减少对下游的冲刷。

2.2 宽尾墩消能原理

对于宽尾墩的消能原理，刘永川对高速流动的水流过墩后消能的原因做出了解释，一是通过紊流转化为热能而散逸，迁化转移为热能后不能再转化回来，从而消能；二是转化为下游缓流断面的位能和动能，但转化为位能后在一定条件下仍能转化回动能。但消能不单指能量的消失，也指动能的分配。林秉南对于动能的转化（如水流通过水跃时部分动能转化为紊动能）和动能的重新分配做出了很好的解释。其一由于宽尾墩的加设，水流在运动过程中的碰撞以及水流质点向不同方向扩散造成能量损失；其二出闸室后形成薄片“水舌”，两片水舌相交汇形成“气囊”，加大了气流的掺入；其三收缩流速与水体相互碰撞再与墙壁碰撞，此不断来回过程中流速减缓，动能减小。李中枢等给出了宽尾墩消能计算的计算式，分别计算了平尾墩和宽尾墩的水跃消能损失，同等条件下，宽尾墩较平尾墩消能量增加了8%，证明了宽尾墩消能效果显著。

3.宽尾墩联合消能工的类型及特性分析

3.1 宽尾墩联合消能工类型及水力研究

宽尾墩在应用中取得成功的同时也存在着许多问题。尹进步指出其一传统宽尾墩对于大单宽尾水深度小的水流，可能会引起消力池底板脉动急剧上升，甚至毁坏其底板的稳定性；其二宽尾墩对于小流量泄洪时无法进行分流从而导致坝面砸现小坑，小坑会使坝面承受能力削弱，在大流量洪流来临时，可能会引起坝面毁坏；其三宽尾墩相对于平尾墩而言，产生的射流对消力池底板的作用力较大，容易对底板造成破坏。针对这些问题，由实际工程问题在宽尾墩的基础上进行了改造提出了Y型宽尾墩；虽经过改造后，王永庆等表示常规的Y型宽尾墩存在以下问题：（1）遇中小流量时，在坝脚和消力池前部产生较大冲击压力；（2）不能对于坝面进行充分的使用；（3）挑射水流对消力池底板产生的冲击压力更大；由于这些问题的存在，卢红等在对于乌江索风营水电站的设计中首次提出了X型宽尾墩的设计。

对于X型和Y型宽尾墩的水流特性研究，王波等采用RNGk-ε双方程紊流模型进行计算和分析，表明Y型水面壅高略高于X型，且Y型墩对速度梯度的影响相较于X型更加激烈。田振华等以实验水工模型为基础，研究了X型宽尾墩和Y型宽尾墩的泄洪流态、底表层流速、压力以及消能率；在相同工况不同条件下，分别对两种类型进行比较，结果表明，最大临底流速X型宽尾墩相对于Y型较小，最大表层流速Y型比X型小，消力池底板压力X型相较于Y型要大。在工程实际应用中，王均星等以龙开口水电站的实际工况为基础，对X型和Y型宽尾墩的墩型优化选择进行了比较，提出了消能防冲的最优墩型选择的具体尺寸参数；李静等以密松水电站泄水建筑物的布置为基础，进行了十多种方案的比较，最终确定水电站墩型的设计方案。

3.2 宽尾墩联合消能工消能特性分析

3.2.1 宽尾墩和挑流的联合消能

宽尾墩是属于加宽墩尾以射流散射为基础的收缩式消能工，是一种附加消能措施，在宽尾墩与挑流联合消能中，更改了其原有的消能原理，祁雷对于宽尾墩和挑流联合消能基本原理进行总结：冲击波交汇、掺气消能，反弧段相邻水股的碰撞、掺混、掺气消能和水舌撕开差动、并大量掺气消能。将宽尾墩运用于挑流消能，由于其本身的水力特性对其下泄入洪的纵向过水断面增大，减少了下游建筑物的冲刷。但经由宽尾墩后的水流流态难以控制，故在实际应用中仍需要建立水工模型试验展开研究。

3.2.2 宽尾墩和底流或戽流的联合消能

刘锦等表示宽尾墩戽流联合消能的消能原理和基础宽尾墩联合消能的原理基本相同，都是利用宽尾墩的尾部加宽从而在堰顶产生了射流，水流在戽池内反弧段坦化、交汇和混合使水流内部的紊动剪切和掺混作用很大程度上加强了，从而二元戽流变为稳定的三元水跃，但不同的是宽尾墩戽池所产生戽跃的临界水深显著下降，使得消能率大大增高。李淳通过试验研究了宽尾墩与戽流联合消能的水流流态、影响因素、设定宽尾墩后的界限水深和消能效果，并告知了下界水深和上线界限水深的计算方法。试验结果表明，通过使用宽尾墩与戽流联合消能，使消能率与之前相比增加6%左右。

4.讨论

宽尾墩的体型目前有X型、Y型、V型等多种类型，对于实际工程项目，由于工况条件和水利条件不同，宽尾墩体型的选用依旧无法通过一些计算或者根据河道的相关条件有对应的范围来进行选择，目前仍是通过建立水工模型试验来进行优化选择，这样的工程成本较高且所需的工程时间也会相对较长。

对于这样的问题，我认为虽然宽尾墩的体型仍在不断探索创新中，但可以就已有的体型进行试验和计算整合，结合大量的工程实例和已有的计算方法，对宽尾墩墩型的设计的多方面取值和计算进行总结，可通过建立数学模型，对多种不同条件下的不同墩型进行比较，得出在相同条件下更是个的墩型，给出设计范围，从而整理出一套在进行宽尾墩设计时可进行参考的数据范围。