尹 進 步

(西北農(nóng)林科技大學， 陜西 楊凌 712100)

寬尾墩是二十世紀七十年代林秉南、龔振贏引進國外思想，在我國發(fā)展形成的一種收縮式消能工程，由于寬尾墩作用，水流橫向收縮，縱向拉開，水流入池后傳統(tǒng)二元水躍變?yōu)槿S，增加摻氣、提高消能率同時，消力池長度也得到了大幅度減小。安康、五強溪、巖灘、大朝山、索風營等工程消力池長度，均比傳統(tǒng)二元水躍消力池縮短一半以上[1-6]。從這些工程的布置運行形式看，寬尾墩消能技術(shù)不僅得到普遍推廣，同時在推廣應用中也得到了一定程度的發(fā)展，對該技術(shù)發(fā)展過程進行總結(jié)，可以看出其發(fā)展主要有以下幾種類型。

1 寬尾墩消能技術(shù)的工程應用發(fā)展

1.1 寬尾墩+挑流消能技術(shù)

寬尾墩-挑流聯(lián)合消能技術(shù)最早應用于潘家口水利工程，并在溢流壩左岸建成三個寬尾墩表孔試驗段，成為最早應用寬尾墩消能技術(shù)的高壩、大流量工程。

潘家口水庫是華北灤河干流上的一個大型水利樞紐，溢流壩為寬縫重力壩，最大壩高103 m，泄水建筑物中設(shè)置18個表孔(左11孔、右7孔)。表孔寬15 m，閘墩寬3 m，堰頂高程210 m，表孔設(shè)15 m×15 m弧形工作門一扇。溢流堰曲線為WES型，方程為y=0.050906x1.85，下游接連續(xù)式挑流鼻坎，坎頂高程158 m(原設(shè)計155 m)，挑射角為30°(原設(shè)計25°)，反弧半徑20.8 m(原設(shè)計21.0 m)。潘家口水庫汛期泄量較大，千年一遇設(shè)計泄量31 600 m3/s，五千年一遇校核泄量43 300 m3/s。下游左岸河灘巖石為角閃斜片麻巖，風化較嚴重，節(jié)理發(fā)育，節(jié)理切割塊體20 cm～40 cm，抗沖刷能力低，而且存在斷層和破碎帶。地形方面，由于左岸坡緩，右岸坡陡，主河床靠右岸，下游消能防沖問題突出。

1∶90斷面模型試驗發(fā)現(xiàn)，表孔采用圖1所示體型布置形式，出坎水流除平面擴散外，還增加了縱向擴散，既提高了消能率，又減少了下游沖刷。從圖1可以看出，寬尾墩為矩形寬尾墩，出口收縮后寬度為10 m，閘墩末端厚度為3.0 m+2×2.5 m=8.0 m，寬尾墩縱向長度為7.5 m。

圖1 潘家口寬尾墩示意圖(單位：m)

潘家口工程之后，筆者未能找到與之類似的布置形式，故潘家口工程可能是寬尾墩+挑流聯(lián)合消能技術(shù)的唯一工程。通過與多個寬尾墩+消力池聯(lián)合消能技術(shù)工程的試驗資料對比分析發(fā)現(xiàn)，潘家口下游挑坎反弧段底板上存在較大沖擊壓強，也可能是該體型未能得到推廣的一個主要原因。雖然寬尾墩+挑流聯(lián)合消能技術(shù)未能得到大量推廣，但通過該工程提出了寬尾墩消能技術(shù)，并將其大量應用于其它實際工程，為寬尾墩在我國高壩泄洪工程的應用實現(xiàn)了一個創(chuàng)新。

1.2 寬尾墩+底流消力池聯(lián)合消能技術(shù)

雖然潘家口工程提出并應用了寬尾墩，但將寬尾墩應用于工程，形成寬尾墩+底流消力池聯(lián)合消能技術(shù)，并在工程中一直全面參與泄洪的第一個工程卻是安康水電站[7]。

安康水電站樞紐由混凝土溢流重力壩、右岸壩后廠房和左岸垂直升船機等建筑物組成。攔河壩壩頂軸線長541.5 m，壩頂高程338.0 m。泄洪建筑物采用5表、5中、4底的泄洪孔口布置方案。5個表孔尺寸為15 m×17 m(長×高)，堰頂高程313.0 m。

表孔原設(shè)計采用底流消能方式，消力池凈寬95 m，受已建施工導流圍堰限制，長度只能確定為100.0 m左右，消力池底板高程只能限制在229.0 m。泄放設(shè)計與校核洪水時，入池單寬流量分別達到153.9 m3/(s·m)和209.3 m3/(s·m)。高水頭、大單寬流量和復雜工程條件使原設(shè)計消力池根本無法滿足正常泄洪要求，通過大量模型試驗研究，最后采用寬尾墩+底流消力池聯(lián)合消能技術(shù)方案，較好地解決了安康水電站表孔的泄洪消能問題。

表孔閘室凈寬為15 m，閘墩厚度為4 m，堰面采用WES曲線，其方程為y=0.03759x1.85，曲線與壩下游1∶0.8坡直線相切，再用R=40 m的反弧與消力池底板相接，消力池底板高程為229 m，池長107 m，消力池尾坎為連續(xù)式，斷面為梯形結(jié)構(gòu)，尾坎高出底板14 m，高程為243 m，目的是枯水期擋水對消力池進行檢修。中間3孔采用“Y型直線寬尾墩”，收縮比為0.4，體型示意見圖2。兩個邊孔采用“不對稱Y型寬尾墩”，可使水舌在平面內(nèi)轉(zhuǎn)向，較好的解決了水舌間歇性沖擊兩側(cè)大小導墻問題。

圖2 安康水電站表孔示意圖(單位：m)

試驗測試發(fā)現(xiàn)，隨著下游水位的變化，消力池內(nèi)水流出現(xiàn)不同流態(tài)：(1) 下游水位較低時，寬尾墩形成的收縮射流在反弧段交匯激起很高的涌浪，涌浪后為急流，急流與下游小于共扼水深的尾水銜接產(chǎn)生遠驅(qū)水躍，消力池內(nèi)出現(xiàn)“涌浪-急流-遠驅(qū)水躍”，由于激起涌浪所進行的動量交換過程耗散了大部分水流動能，涌浪后急流流速比平尾墩后水流有較大的降低，因而形成遠驅(qū)水躍第二共軛水深比常規(guī)水躍低一些，但消力池底板沖擊壓強比平尾墩要大許多；(2) 隨著下游水位升高到某一限度，水躍躍首位置前移至反弧附近，遠驅(qū)水躍和涌浪均消失，池中出現(xiàn)水平橫軸與縱軸交互的三元水躍，由于水流動能通過旋滾紊動剪切而大量消耗，池內(nèi)水流流速顯著降低，水面升高，躍后共軛水深位置大幅度前移；(3) 隨著下游水位的進一步升高，水躍躍首向反弧段上溯并出現(xiàn)一定淹沒度，三元淹沒水躍的消能更加充分，消力池呈現(xiàn)寬尾墩+底流消能標準流態(tài)。

工程建成后在原型上對水流流態(tài)及下游沖刷地形、消力池底板脈動壓強等水流特征及參數(shù)進行觀測[8]，發(fā)現(xiàn)水翅及水翅交匯形成的水冠呈白色海綿狀位于水舌頂部，像領(lǐng)帶一樣的氣囊不斷向水舌內(nèi)卷吸空氣。在壩面上，水流形成五道窄而高的水舌，水舌側(cè)面出現(xiàn)兩個巨大的摻氣面，把空氣卷入水中，形成棉絮狀結(jié)構(gòu)，消力池中升騰起水霧及激起的水柱在壩下連成一片。脈動壓強原型觀測結(jié)果表明，在射流沖擊區(qū)主流因受底板折沖影響，流速迅速減小，壓強急劇增大，壓強梯度很大。在沖擊區(qū)下游，水流形成貼壁射流，脈動壓強雖然很小，但底板表面附近區(qū)域流速較大，若底板存在裂縫，水流升力會成為板塊失穩(wěn)的主要因素。如果消力池中的水墊深度太小，除了產(chǎn)生不良流態(tài)外，底板上脈動壓強會快速增加。原型觀測發(fā)現(xiàn)3號孔單獨開啟時，下游水墊深度在17 m～21 m之間，位于反弧段測點最大脈動壓強已達57.9 kPa，脈動強度系數(shù)達23%，閘門開啟18 min后傳感器損壞。因此進行消力池底板穩(wěn)定設(shè)計時，需要對可能出現(xiàn)的最小水位進行復核，否則就必須通過運行調(diào)控，避免淺水墊大開度運行。

安康工程多年運行中雖然出現(xiàn)過消力池底板細小裂縫、表層抬升、磨蝕、滲漏等現(xiàn)象，但作為國內(nèi)外第一個寬尾墩+底流消力池聯(lián)合消能技術(shù)的工程，通過試驗首次提出了三元水躍的基本概念，并對三元水躍第二共軛水深、水躍長度等問題進行研究，發(fā)現(xiàn)了三元水躍躍長縮短、消能率提高等規(guī)律，為寬尾墩消能技術(shù)全面推廣普及發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

1.3 寬尾墩+戽式消力池聯(lián)合消能技術(shù)

雖然安康工程成為國內(nèi)外第一個寬尾墩+底流消力池聯(lián)合消能技術(shù)的工程，但與安康工程幾乎同期進行研究探索的廣西巖灘水電站，成為第一個寬尾墩+戽式消力池聯(lián)合消能技術(shù)的工程。

巖灘水電站位于廣西紅水河中游大化瑤族自治縣的巖灘鎮(zhèn)，上游距離龍灘水電站160 km，是紅水河10個梯級電站中的骨干工程[9]。工程以發(fā)電為主，兼有航運，設(shè)計總裝機1 660 MW。最大壩高110 m，壩頂長525 m，壩頂高程233 m；溢流壩段設(shè)7個表孔和1個泄水孔，表孔弧形閘門尺寸為22.48 m×15.00 m(高×寬)。由于巖灘壩址河谷狹窄，7個表孔泄洪時，最大的單寬流量達308 m3/(s·m)，下游水位最大差45.7 m(最枯水位為148.0 m，下游河道水深18.0 m～20.0 m，校核洪水時，下游水位為193.7 m，下游河道水深46.2 m)，形成所謂“高水頭、大單寬流量、低佛氏數(shù)”的泄洪消能難題。

系列試驗研究后提出了寬尾墩+戽式消力池聯(lián)合消能的布置形式，相對于傳統(tǒng)消能形式具有以下幾方面優(yōu)點：(1) 增加了戽池水深，提高了底板抗浮穩(wěn)定性；(2) 減小了戽池與戽坎流速，降低了出戽水流動量；(3) 提高了戽池的消能率，出戽水流相對比較平穩(wěn)，與下游水面平順銜接，對發(fā)電通航及護岸工程的節(jié)約都比較有利。

大規(guī)模原型觀測共進行了兩次，第一次是表孔1#—6#全開，庫水位219.34 m，尾水位是174.08 m，總泄量12 847 m3/s；第二次是表孔1#—7#全開，庫水位218.70 m，尾水位是175.55 m，總泄量14 128 m3/s。原型觀測結(jié)果表明：(1) 水流出閘室時，在寬尾墩兩翼水翅明顯豎起，在重力作用下向內(nèi)自然彎曲跌落，在壩后形成一管狀無水空腔，兩支水翅跌落在反弧附近交匯碰撞；(2) 受寬尾墩作用，水流在閘室被橫向收縮與壅高，縱向拉開，跌落過程中向左右兩側(cè)散開、坦化，高端水體在跌落過程中受空氣擾動而分離，摻雜著氣體的水流跌入反弧段附近水域，在落水區(qū)沿不同方向激射起一簇簇白色水冠；(3) 戽內(nèi)水流極為混亂，剪切、旋滾、摻氣充分，整個水體由于夾雜大碎氣泡而呈白色，戽內(nèi)水面線明顯高于下游水位，沿水流方向微呈弧線彎曲，中間高，落水區(qū)及與下游銜接處稍低；(4) 消力池的時均動水壓強比平尾墩戽池大，脈動壓強與時均動水壓強的分布為戽池首部大，并向下游沿程較快衰減。底流速分布自戽池首部向尾坎迅速減小，在較短的池長范圍內(nèi)，底流速從首部的28.38 m/s～30.04 m/s降至12.22 m/s ～13.51 m/s，即寬尾墩戽式消力池的消能率較高，也符合寬尾墩三元水躍底流速分布特征；(5) 出池水流與下游水流平順銜接，下游波浪不大；(6) 由于戽內(nèi)水流的碰撞激射、剪切摻氣、紊動旋滾，在戽內(nèi)及附近區(qū)域產(chǎn)生濺水及霧流，小流量時形成霧流強度比大流量時大一些，升空后形成小股輕微薄霧隨風飄移、散開，產(chǎn)生局部極微弱降雨，但未形成固定的降雨區(qū)，濺水的產(chǎn)生也與泄量大小無明顯關(guān)系；(7) 壩面無空蝕現(xiàn)象，但初期運行檢查發(fā)現(xiàn)池底板存在部分空蝕及磨蝕現(xiàn)象，平均磨損2 cm～5 cm，并有不同程度淺層裂縫出現(xiàn)。后經(jīng)處理，再無此現(xiàn)象發(fā)生。

1.4 寬尾墩+臺階壩面+戽式消力池聯(lián)合消能技術(shù)

臺階式溢洪道是將傳統(tǒng)光滑泄槽面修建為臺階，利用臺階使水流在臺階凹面中形成水平軸旋滾，并產(chǎn)生強烈混摻、大量摻氣，以實現(xiàn)消能作用的一種過流建筑物。正是基于臺階面消能的這種思想，1982年美國專家在上靜水壩試驗研究中結(jié)合RCC筑壩技術(shù)，提出了臺階溢流壩面的消能方式，該技術(shù)隨后被推廣至多個工程使用。壩高61 m的上靜水壩，1987年竣工后最大泄洪流量2 125 m3/s，消能率高達70%，但其單寬泄洪流量只有11.61 m3/(s·m)。隨后國內(nèi)外開展的大量工程應用與研究資料表明[10-14]：(1) 臺階作為一種消能形式其應用的工程大壩不能太高，早期我國應用比較多的是高壩工程的導流過水圍堰，堰高一般在30 m附近，目前已建工程最大壩高已接近百米；(2) 早期比較適宜的單寬過流量最大不要超過30 m3/(s·m)，一般過水圍堰的最大單寬過流量只有20 m3/(s·m)，否則臺階面就可能產(chǎn)生空蝕破壞現(xiàn)象。

1974年10月湖北省丹江口水利樞紐最大單寬流量達到120 m3/(s·m)時，雖然歷時只有4天，但臺階過流面出現(xiàn)嚴重空蝕破壞，最大剝蝕深度達1.2 m。為了提高臺階面過流單寬流量，上世紀末福建水東水電站采用了寬尾墩+臺階壩面+戽式消力池聯(lián)合消能的方式，利用寬尾墩形成窄縫水舌，避免了臺階面大面積大單寬過流，同時利用窄縫水舌兩側(cè)的臨空面為臺階面水流充分補氣，實現(xiàn)水流摻氣同時，避免了臺階面空蝕破壞出現(xiàn)[15]。雖然工程最大壩高只有57 m，下游水面以上臺階數(shù)量也很少，但該工程率先實現(xiàn)了臺階面的大單寬過流，隨后設(shè)計建設(shè)的大朝山水電站便將臺階面大單寬過流壩高提高至100 m以上。

大朝山水電站最大壩高111.0 m，壩頂高程906.0 m，樞紐采用河床泄洪布置方式。五個表孔孔口尺寸為14 m×17 m(寬×高) ，堰頂高程882.0 m。溢流壩面為WES實用堰，采用寬尾墩+臺階面+戽式消力池聯(lián)合消能工。表孔的閘墩厚4 m, 中間三孔采用收縮比為0.45的Y型寬尾墩。左右兩側(cè)邊孔為收縮比0.50的不對稱Y型寬尾墩。大朝山水電站設(shè)計洪水為五百年一遇18 200 m3/s，該工況表孔泄量為9 790 m3/s，單寬流量113.8 m3/(s·m)。校核洪水為五千年一遇23 800 m3/s，表孔泄量16 646 m3/s，單寬流量193.6 m3/(s·m)。

工程建成后，2002年6月20 日對表孔泄水建筑物進行了泄洪消能原型觀測[16]。觀測庫水位為設(shè)計水位899.0 m(相當于500 年一遇洪水位)。此時，堰頂以上水頭為17.0 m，3號表孔全開的單孔泄量為2 000 m3/s，過堰單寬流量143 m3/(s·m)，上下游水位落差接近70 m，觀測時最大總泄量為6 173 m3/s。該表孔單孔泄量、單寬流量和泄流規(guī)模，在當時國內(nèi)外同類原型觀測中非常少。

(1) 臺階沿程設(shè)置四個流速分布觀測成果表明，在15#和30#臺階之間的15 m落差范圍內(nèi)，距底部12 cm 測點流速值沿程呈加大趨勢，從27.5 m/s增加至29.0 m/s；而靠近斜面底部3 cm和8 cm測點流速值卻無明顯增大趨勢，基本都在22 m/s附近變化。該測試結(jié)果說明寬尾墩底緣水流分散摻氣，紊動劇烈，受臺階擾動消能作用，水頭損失加大，故而水流不會像清水自由跌落那樣沿程加速。

(2) 四個臺階面上摻氣濃度測試結(jié)果表明，摻氣濃度值很高且沿程大幅度增加，從第15 #臺階的35.5%到26 #臺階增至65.1%，即水舌底緣水流分散摻氣程度沿程加劇，到30#臺階時，由于水流進入下游水墊，流速減小同時，壓強升高，摻氣濃度又有所降低，大約為39.8%。

(3) 臺階水平面距離邊緣28 cm的壓強測點測試結(jié)果表明，呈大小相間的變化，最大值超過100 kPa，最小值接近零壓，脈動均方根最大值與時均值接近。由于測點距邊緣比模型的15 cm大，因此最大時均壓強值比模型試驗測試值小一些[17]。

1.5 X型寬尾墩+臺階壩面+消力池聯(lián)合消能技術(shù)

寬尾墩雖然通過前面四個階段的應用與發(fā)展研究，解決了深尾水、臺階面大單寬過流等消能問題，但已建工程泄洪運行結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)寬尾墩在應用中還存在一些問題[18-19]。第一，傳統(tǒng)寬尾墩只適應大單寬高尾水的泄洪，當尾水深度較小或水庫高水位單孔開啟時，大單寬泄洪可能會出現(xiàn)消力池底板脈動壓強急劇上升，甚至破壞消力池底板結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的問題；第二，小流量泄洪時，難以形成縱向拉開的寬尾墩水舌，水流成一集中水股砸向壩面，壩面承受的沖擊壓強急劇增加，嚴重時，壩面被砸出小坑，小坑在大洪水泄洪時可能會發(fā)生壩面空蝕破壞問題。針對傳統(tǒng)寬尾墩存在問題，烏江索風營工程在試驗研究中推出了X型寬尾墩消能技術(shù)。

索風營水電站位于貴州省黔西縣、修文縣交界的六廣河段，是烏江干流第二個梯級電站，工程樞紐由碾壓混凝土重力壩、壩頂五個泄水表孔及引水發(fā)電系統(tǒng)組成，最大壩高121.84 m，樞紐控制流域面積為21 862 km2，電站裝機總?cè)萘?00 MW。泄洪消能原設(shè)計采用5個表孔寬尾墩+臺階壩面+消力池的聯(lián)合消能形式，其堰頂高程為820.00 m，采用WES堰面，下接1∶0.7的臺階式斜坡，共38個臺階，臺階尺寸為0.84 m×1.20 m(寬×高)，臺階后接中心線99 m長的消力池。表孔孔口尺寸為13 m×17 m(寬×高)，5孔校核洪水位總泄量15 956 m3/s，過堰單寬流量最高達243 m3/(s·m)。

經(jīng)過整體、斷面、減壓等系列模型試驗研究[19-21]，首次推出了5個表孔X型寬尾墩+臺階壩面+消力池的聯(lián)合消能形式，其中X型寬尾墩是常規(guī)Y型寬尾墩靠近壩面處切口而形成，由于寬尾墩過水斷面形狀與字母X非常相像，故稱其為X型寬尾墩。索風營工程寬尾墩上部面仍保持與Y 型寬尾墩相同的三角形面，下部切口也成三角形，體型如圖3所示。當下泄流量小于下部開口過流能力時，水流全部沿壩面以二元流形式下泄，寬尾墩不起作用，當下泄流量大于下部開口過流能力時，一部分沿臺階壩面下泄，超過下開口過流能力部分，受寬尾墩橫向約束，形成一股窄而高的水舌，以收縮射流形式下泄。經(jīng)過試驗優(yōu)化調(diào)整，最后確定下部開口最小高度為1.8 m，臺階壩面通過的單寬泄量大約為30 m3/(s·m)～40 m3/(s·m)。堰面末端設(shè)置0.256 m高的摻氣坎，通過閘墩后無水區(qū)，向近壩面水流底部通氣。

圖3 X型寬尾墩示意圖

考慮到X型寬尾墩體型相對于傳統(tǒng)寬尾墩復雜，先后進行了多個模型的試驗研究：(1) 首先通過減壓模型試驗，對其空化情況進行了分析。得到下開口面初生空化數(shù)小于0.3，但X型寬尾墩體型各工況水流空化數(shù)均大于0.3，即X型寬尾墩體型空化性能良好；(2) 在斷面模型上，對臺階近底部水流摻氣濃度進行了測試。測試結(jié)果表明，由于模型水流的流速只有3 m/s～4 m/s，遠不足7 m/s，參考文獻[7-8]模型與原型水流摻氣濃度之差別，估算原型水流摻氣濃度應該在5%以上，這一摻氣濃度值基本可以滿足臺階面水流摻氣減蝕的要求，即原型臺階面不會發(fā)生空蝕破壞；(3) 在下游不控制尾水條件下，分別對X、Y型寬尾墩在設(shè)計洪水時在消力池底板所形成的沖擊壓強進行測試，分析結(jié)果表明，由于X型寬尾墩下部過流為上部過流提供了一定的水墊作用，所以其沖擊壓強比Y型寬尾墩小，特別是消力池前30 m范圍內(nèi)差別比較明顯，最大沖擊壓強減小幅度達到30%，即X型寬尾墩的使用可以減小消力池底板所承受的沖擊壓強。

2005年索風營工程在X型寬尾墩消能體型未完全形成的施工期，表孔下泄流量超過1 000 m3/s，施工完成后的2007年7月底到8月上旬，表孔3號孔在庫水位837 m時單獨全開泄洪約2 400 m3/s，隨后又進行了2號、4號孔1/2開度以及1號、3號、5號孔同時1/2開度等不同流量組合的泄洪。停水后對X型寬尾墩、臺階面與消力池底板等部位進行檢查，均完好無損。截止2017年底，索風營工程先后經(jīng)歷了多次最大接近5 000 m3/s的泄洪考驗，泄洪建筑物運行均為正常。

1.6 X型寬尾墩+臺階壩面+戽式消力池聯(lián)合消能技術(shù)

由于X型寬尾墩是在傳統(tǒng)寬尾墩基礎(chǔ)上發(fā)展而來，又繼承了傳統(tǒng)寬尾墩的一些優(yōu)點，因此當下游河道水深達到一定條件時，X型寬尾墩+臺階壩面+戽式消力池聯(lián)合消能技術(shù)也得到了一定程度的發(fā)展與應用，第一個采用該消能形式的工程就是烏江思林水電站，而且借助該工程試驗研究成果，對X型寬尾墩體型也做了進一步優(yōu)化與發(fā)展[22]。

思林水電站位于貴州省思南縣，是烏江干流第五個梯級電站。受工程樞紐布置條件限制，泄洪消能系統(tǒng)采用表孔X型寬尾墩+臺階壩面+戽式消力池的聯(lián)合泄洪消能方式。電站裝機容量1 000 MW，堰頂高程為418.50 m，水庫正常蓄水位440.00 m，對應下泄流量19 400 m3/s，設(shè)計庫水位444.83 m，對應下泄流量25 737 m3/s，校核庫水位449.27 m，對應下泄流量32 922 m3/s。表孔堰面泄流總寬度91 m，三個特征水位過堰單寬泄流量都比較大，分別為213 m3/(s·m)、283 m3/(s·m)和362 m3/(s·m)，特別是校核水位單寬泄量超過360 m3/(s·m)，在已建同類工程單寬泄量中，堪稱為世界之最。如果以此單寬流量計算消力池長度，普通消力池需要180 m以上，而原設(shè)計消力池全部長度不足65 m，且消力池尾坎后緊接電站尾水渠。如此緊密布置形式，對泄洪消能提出了比較嚴格的要求。第一，消力池長度不能增加，消能還必須充分；第二，池后水面波動必須非常小，滿足電站正常運行的需要；第三，消力池底板沖擊壓強與脈動壓強必須滿足安全要求。

正是基于上述要求，通過整體、斷面等系列模型試驗研究，對X型寬尾墩進行了發(fā)展創(chuàng)新之后提出了新型X型寬尾墩，即在一般X型寬尾墩基礎(chǔ)上，下部體型不變，頂部斜三角平面轉(zhuǎn)化為橢圓錐或圓錐曲面，另外寬尾墩末端總高度相對于一般寬尾墩要適當減小。試驗研究分析發(fā)現(xiàn)，當工程總泄量不大于3 400 m3/s、即單寬泄量不超過37 m3/(s·m)～40 m3/(s·m)時，水流基本通過X型寬尾墩底部開口，緊貼壩面橫向展開通過，這一分流比是根據(jù)臺階面安全過流最大單寬泄量而定；當泄量大于3 400 m3/(s·m)時，底部開口通過的泄量基本穩(wěn)定在3 400 m3/s左右。當庫水位達到設(shè)計水位444.83 m時，頂部挑流水舌流量約占總泄量的40%左右，到校核水位449.27 m時，頂部泄量占總泄量的50%左右，即利用消力池深尾水、挑流水舌入水后消能率高的特點，接納了總泄量的一半水流，各方面優(yōu)勢均得到了集中使用，水舌流態(tài)示意如圖4所示。無論是電站尾水渠附近的水面涌浪高度、消力池底板脈動壓強、還是總體消能率既滿足了戽池消能需求，也比常規(guī)X型寬尾墩體型要好一些。

圖4 思林水電站水流流態(tài)示意圖(單位：m)

2009年首臺機組發(fā)電至今，工程已安全運行十多年，期間最大泄洪流量超過7 000 m3/s，多次汛后水下檢查發(fā)現(xiàn)，泄洪建筑物運行一直比較良好，下游河道基本無多少沖於現(xiàn)象發(fā)生。

2 寬尾墩消能技術(shù)研究發(fā)展

2.1 傳統(tǒng)寬尾墩體型研究

根據(jù)文獻[23]要求，傳統(tǒng)Y型寬尾墩體型設(shè)計應滿足不影響泄流能力和水流摻氣，同時不妨礙弧門鉸支座的要求。針對圖5所示傳統(tǒng)Y型寬尾墩，劉永川通過系列資料研究分析發(fā)現(xiàn)[7]，其體型可由以下四個基本參數(shù)表示。

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：W為閘室過流寬度；b為寬尾墩收縮后的過流寬度；L為寬尾墩縱向水平投影長度；x、y分別為寬尾墩始擴點B相對于堰頂?shù)淖鴺宋恢谩Ｑ芯堪l(fā)現(xiàn)，收縮比β合理的取值范圍為0.4～0.7，如果β>0.7，消能率降低，沖刷加劇，若β<0.4，水舌雖薄但落點不一定很遠。β取值并不能用一個固定的解析式表示，對某一具體工程條件而言，一般都在一定范圍之內(nèi)。而且比較合理的β取值應滿足以下原則：不影響泄流能力，閘室水面較低，消能率較高，下游河道消能防沖效果較好。建議θ取值在18°～26°之間。ξ1與ξ2取值應以不影響泄流能力為原則，建議ξ1>0.85，ξ2>0.37。

圖5 傳統(tǒng)寬尾墩詳圖

2.2 X型寬尾墩體型研究

大量研究發(fā)現(xiàn)，X型寬尾墩體型及其在堰面上相對位置主要根據(jù)以下原則確定：第一，X型寬尾墩不能對堰面的過流能力產(chǎn)生太大影響；第二，X型寬尾墩在臺階壩面所形成的縱向拉開水舌要適應不同下泄流量范圍與消力池消能要求；第三，X型寬尾墩底部體型及開口高度要滿足臺階面消能，以及臺階面與寬尾墩本身防空蝕破壞要求。對如圖6所示X型寬尾墩體型進行劃分后發(fā)現(xiàn)，上述三條原則其實就是對X型寬尾墩體型上、中、下三部分設(shè)計原則的具體要求。其中第一條對上部頂面ABC的設(shè)計提出了要求；第二條對BCED面的設(shè)計提出了要求；第三條對DEF面及DEF面與堰面上的G點之間的位置關(guān)系提出了具體要求[24-25]。對各體型位置分析如下。

圖6 X型寬尾墩詳圖

(1) 頂擴面ABC。首先借助索風營水電站模型試驗對ABC面進行詳細分析后發(fā)現(xiàn)：最后確定B點低于堰頂約7.23 m，對參數(shù)ξ1與ξ2取值進行計算，ξ1=1.01，ξ2=0.36，基本符合文獻[7]對傳統(tǒng)Y型寬尾墩要求，因此一般情況下，對于X型寬尾墩而言，B點取值可參考傳統(tǒng)Y型寬尾墩ξ1>0.85，ξ2>0.37的要求選取。

有些工程設(shè)計為了滿足ξ1>0.85、ξ2>0.37的取值要求，致使B、D點高差縮小到不足5 m，X型寬尾墩下開口DEF面的存在，也使D點與B點之間的高差進一步被縮短，因此為了便于施工，體型簡單，可將B點與D點直接合并為一點，索風營工程X型寬尾墩就采用這種設(shè)計。

有些工程，堰上水頭比較高，如H>26 m，則B點位置并不能滿足ξ1>0.85、ξ2>0.37的要求，出現(xiàn)B點與堰頂同高程、或高于堰頂?shù)默F(xiàn)象。思林水電站表孔堰上最大水頭30.77 m，設(shè)計工況時堰上水頭26.33 m，就屬于這一類，其體型設(shè)計前文已經(jīng)說明，此處不再贅述。

(2) 中部BCED面。中部BCED面決定X型寬尾墩水舌縱向拉開效果，通過對使用傳統(tǒng)Y型寬尾墩與X型寬尾墩的多個代表性工程體型參數(shù)進行匯總發(fā)現(xiàn)。已建工程寬尾墩收縮比β和折射角θ的取值與文獻[7]的要求并不完全一致。首先對所列工程堰上水頭進行分類可以發(fā)現(xiàn)，除五強溪工程外，一般工程堰上水頭較低時，收縮比β都比較小，折射角θ也比較小，當堰上水頭較高時，收縮比β增加，折射角θ也增加，即低水頭小折射角、大收縮，高水頭大折射角、小收縮。當X型寬尾墩有比較特殊的使用方式時，寬尾墩的收縮比也不一定遵循上述規(guī)律。如思林工程中，由于堰上水頭比較高，而消力池又比較短，使用X型寬尾墩對水流進行橫向收縮同時，還必須使高水頭部分水流橫向展開以挑流形式拋出，所以X型寬尾墩并沒有按照常規(guī)體型要求進行設(shè)計。

統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)已建工程所有寬尾墩收縮比范圍為 0.33<β<0.53，與文獻[7]所建議的0.4<β<0.7范圍不同，普遍偏小。折射角范圍為16.26°<θ<21.8°，與文獻[7]建議范圍18°<θ<26°也有所不同，普遍偏小。出現(xiàn)這一差別的主要原因在于研究工程實際情況的范圍不相同，此處是針對不同工程實際情況進行總結(jié)，而文獻[7]基本是通過安康水電站一個工程模型試驗進行總結(jié)，即試驗所能提供的工程條件非常有限，因此總結(jié)就不是非常準確。韓立分析了使用寬尾墩的部分工程資料[23]，提出一個β、θ與工程基本條件之間的經(jīng)驗關(guān)系式如下：

(5)

式中：Hd為堰面設(shè)計定型水頭,m；Za為堰頂與尾墩末端斷面在堰面點(圖5中D、E點)之間的高差，m。由于Hd一般隨工程而定，而Za又確定了寬尾墩在堰面上的位置，所以這一規(guī)律基本反映了β、θ與工程基本條件之間的關(guān)系。上述分析中所建議的β、θ兩個參數(shù)取值范圍雖然都比較大，但根據(jù)工程實際條件，利用經(jīng)驗公式(5)所確定的取值范圍卻很小，比較適合一般工程初擬體型選擇使用。

(3) 底部DEF面與堰面關(guān)系。DEF面與堰面關(guān)系一方面決定臺階面全斷面過流量的大小，另一方面也決定該過流面壓強的分布規(guī)律。由于DEF面附近水流流速一般至少在20 m/s以上，所以壓強大小在一定程度也決定該處水流空化特性。試驗測試研究發(fā)現(xiàn)，當E點與堰面距離不大于3.5 m時，下游臺階面單寬過流量不會大于40 m3/(s·m)；結(jié)合文獻[13]研究結(jié)果，對于高度大約為1 m的臺階而言，當臺階面過流量不超過30 m3/(s·m)～40 m3/(s·m)，臺階面的消能率一般都在60%以上。

索風營與思林兩個工程的試驗結(jié)果表明，當DE線與堰面成收縮式夾角時，DEF面不會有負壓出現(xiàn)，當DE線與堰面平行或成擴散式夾角時，DEF面可能出現(xiàn)負壓，且負壓隨擴散角增加而增大。當DEF面出現(xiàn)負壓時，一般情況下，越靠近E點，負壓越大。因此，DE線與堰面應盡量成收縮式夾角方式布置。為了實現(xiàn)收縮式夾角布置方式，一方面要考慮寬尾墩中DE線布置尺寸，另一方面，對于下游壩面為臺階過流面的工程而言，也要考慮堰面末端摻氣設(shè)施。

(4) 堰面末端摻氣設(shè)施。工程原型與試驗資料研究發(fā)現(xiàn)[24，26]：臺階面初始段有不少于6個臺階脫空空腔為臺階面補氣時，臺階面一般不會發(fā)生空蝕破壞。因此對臺階過流面而言，應在堰面末端或臺階壩面之前設(shè)置摻氣坎，以保證臺階面初始段形成不少于6個臺階脫空空腔的要求。堰面末端摻氣坎設(shè)置方式一般有兩種：第一種是在原堰面上增加某一坡比的挑坎進行摻氣，第二種是在堰面與下游臺階面之間形成一跌坎進行摻氣。第一種坎被稱為摻氣挑坎，第二種方式被稱之為摻氣跌坎。摻氣挑坎是通過堰面末端加設(shè)切線或向上折起的折線方式形成，如果是切線，則挑坎下的堰面一般與臺階面上凸點連線為相切關(guān)系，如果是折線，則折線坡比一般小于堰面切線坡比。這種方式多用于堰面末端高于臺階面上凸點連線、或堰面末端與臺階面上凸點連線相切的臺階面布置形式；而摻氣跌坎是通過降低臺階面或改變臺階初始段坡比的方式形成，堰面末端斷面處，臺階上凸點連線一般比堰面末端低1 m左右。

大量試驗與原型資料已經(jīng)表明：對于坡比為1∶0.7的臺階面而言，臺階高度0.90 m ～1.20 m時，采用摻氣挑坎時，坎高只需0.25 m～0.30 m，采用跌坎時，坎高則需0.80 m～1.00 m；對于坡比為1∶0.75的臺階面而言，臺階高度0.90 m ～1.20 m時，采用摻氣挑坎時，坎高需要0.45 m～0.60 m，采用跌坎時，坎高則需1.00 m～1.10 m。

2.3 與寬尾墩聯(lián)合應用的壩面水力特性研究

對于傳統(tǒng)寬尾墩與光滑溢流壩面聯(lián)合使用而言，其壩面水力特性與一般泄槽基本相同，因此其壩面水力特性只要滿足普通泄槽體型要求即可，也無什么特殊要求。但對與寬尾墩聯(lián)合使用的臺階壩面而言，由于過流面屬于一種凹凸不平的布置形式，因此其體型必需滿足臺階面大單寬過流的高速水流過流要求。圍繞這一問題，多位學者先后進行了臺階面水流的流態(tài)分區(qū)、水流壓強特性、流速特性、摻氣特性等多方面研究，下面分別予以總結(jié)分析。

(1) 水流流態(tài)研究。一般把臺階溢流壩面的水流流態(tài)可大致分為跌落水流與滑行水流兩種流態(tài)。兩種流態(tài)的形成一般是由臺階形狀、尺寸及單寬流量決定。在相對較小的單寬流量，水深較低時，臺階面會產(chǎn)生跌落水流，同時水流逐級跌落后會在下一級臺階產(chǎn)生完全或部分發(fā)育的水躍。當下泄單寬流量增加，或臺階的高寬比增大時，跌落水流也會逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榛兴?。一般跌落水流轉(zhuǎn)變?yōu)榛兴鞯倪^渡過程是漸變并且連續(xù)的，在一定的單寬流量下，可能同時產(chǎn)生跌落水流與滑行水流，二者隨著時間與位置的變化而變化。

通過對與X型寬尾墩聯(lián)合使用的臺階面水流深度研究發(fā)現(xiàn)，在滑行水流流態(tài)下，部分水流在虛擬底板上滑行[27]，同時也會因與臺階內(nèi)的旋滾水流之間產(chǎn)生強烈紊動動量交換而減速，由于水流的紊動強度增大，水流的自摻氣強度也同樣增大。楊釗等通過對與X型寬尾墩聯(lián)合使用的臺階面水流進一步的分區(qū)研究發(fā)現(xiàn)[28]，一般滑移流水流又可分為旋滾區(qū)、主流區(qū)及過渡區(qū)。針對臺階內(nèi)水流旋滾區(qū)而言，斷面壓強的極大值點是過渡區(qū)與主流區(qū)滑行水流的邊界，同一臺階鉛直面上水流交匯點與水平面的水流分離點之間連線是過渡區(qū)與旋滾區(qū)分界線。位于旋滾區(qū)水流與主流區(qū)滑行水流之間的區(qū)域為過渡區(qū)。隨著單寬流量的變化，過渡區(qū)厚度沿程基本保持不變。

(2) 壓強分布研究。通過與不同類型寬尾墩聯(lián)合使用的壩面坡比分別為1∶0.70、1∶0.75、1∶0.80，臺階高度分別為0.90 m、1.00 m、1.20 m等不同形式的臺階凹面內(nèi)部壓強分布規(guī)律試驗研究發(fā)現(xiàn)[29]，和寬尾墩聯(lián)合使用的臺階面內(nèi)部壓強分布規(guī)律，與無寬尾墩的臺階面內(nèi)部壓強分布規(guī)律不同[30-31]，對大單寬流量而言，有寬尾墩時，臺階水平面壓強極大值一般出現(xiàn)在臺階的外邊緣處，垂直面極小值一般出現(xiàn)在頂面附近。臺階水平面總體壓強分布規(guī)律也與堰面使用的寬尾墩類型有關(guān)，使用Y型寬尾墩時呈現(xiàn)比較明顯的鋸齒狀分布，無墩時比較平緩，使用X型寬尾墩時壓強分布處于二者之間；臺階面坡比對臺階水平面壓強有一定影響，臺階高度對此無影響，且臺階面最大壓強值與堰上水頭比較接近。臺階垂直面最小壓強基本在-20 kPa～50 kPa之間變化，變化范圍也與堰面使用寬尾墩類型有關(guān)，受臺階高度、坡比影響也很小。使用Y型寬尾墩時，垂直面總體壓強值比X型寬尾墩小，但最小值也不超過-20 kPa。

通過進一步大尺度模型試驗與數(shù)值分析研究發(fā)現(xiàn)[28]，對于與X型寬尾墩聯(lián)合使用的臺階面水流而言，受臺階凸角繞流影響，在臺階鉛直面相對高度y/h=0.9附近出現(xiàn)負壓，經(jīng)過凸角后沿鉛直面向下流動，并與旋滾區(qū)沿鉛直面向上流動的水流交匯，形成鉛直面相對高度y/h=0.7附近壓強增大現(xiàn)象，該點為水流交匯點。水平面相對寬度x/b=0.7處水流沖擊壁面產(chǎn)生較大壓強，該點為水流分離點。分離點與交匯點連線為臺階凹角內(nèi)旋滾水流的邊界。

(3) 流速分布研究。采用上述壓強分布研究相同的試驗條件研究發(fā)現(xiàn)[32]，與寬尾墩聯(lián)合使用的臺階面水流近底流速分布，主要與下游尾水深度及堰面采用的寬尾墩類型有關(guān)，受臺階面坡比及臺階高度的影響很小，臺階在水下深度越大，其近底流速越小，如果沒有尾水的影響，臺階面近底流速沿程基本不變。堰面使用Y型寬尾墩時，臺階面近底流速相對大一些，堰面無寬尾墩時，近底流速較小，堰面采用X型寬尾墩時，近底流速處于二者中間。通過與原型資料的類比分析發(fā)現(xiàn)，與Y型寬尾墩聯(lián)合使用的臺階面水流，在距離臺階面3 cm處，流速最大值大約為21.5 m/s～23.5 m/s，與X型寬尾墩聯(lián)合使用時，該處流速最大值大約為19.5 m/s～21.0 m/s，無墩時大約為16 m/s～19 m/s。

同樣通過大尺度模型試驗與數(shù)值分析研究發(fā)現(xiàn)[28]，對于與X型寬尾墩聯(lián)合使用的臺階面水流，堰上水頭19 m時，虛擬底板處的水流受臺階擾動，流速值沿程基本在15 m/s～25 m/s之間波動，平均流速為19.9 m/s，比原型觀測中距虛擬底板3 cm處的平均流速22.0 m/s略小一些。距虛擬底板5 cm處的沿程流速分布平均值為25.3 m/s，比原型觀測中8 cm處流速值26.0 m/s略小一些。距離虛擬底板10 cm時的沿程流速分布平均值為27 m/s，而距離虛擬底板15 cm處時，雖然平均流速為28.5 m/s，但流速沿程卻在不斷增大。綜合研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，水流距離虛擬底板越近時，平均流速值越小，并且水流受臺階擾動越強，流速在短距離內(nèi)波動越大，但距虛擬底板距離分別為0 cm、5 cm、10 cm時，流速值基本在平均值附近波動，而距虛擬底板距離超過15 cm時則流速沿程增大。

該結(jié)果說明水流在X型寬尾墩及臺階的共同作用下，臺階近底一定范圍內(nèi)存在一水氣混合過渡層，在過渡層內(nèi)水流紊動形成的消能作用大，可使流速沿程保持不增加，在過渡層以外，臺階旋滾作用弱化，流速沿程增加。

(4) 摻氣分布研究。受摻氣濃度測試儀器及數(shù)學模型參數(shù)設(shè)置等方面影響，與寬尾墩聯(lián)合使用的臺階溢流面大單寬流量泄洪時，臺階面近底摻氣濃度研究成果不夠全面，但系列模型試驗研究發(fā)現(xiàn)了一些規(guī)律[33]。第一，臺階面近底摻氣濃度分布規(guī)律隨臺階高度變化不明顯，在坡比為1∶0.70時變化也不明顯，而坡比為1∶0.75時，沿程有減小的趨勢；第二，隨堰上水頭的增加摻氣濃度不斷增加，堰面使用不同寬尾墩時，摻氣坎高度對摻氣濃度沿程變化影響也不相同；第三，在溢流面初始段有6～8個臺階脫空的空腔為臺階溢流面補氣時，堰面采用Y型寬尾墩，臺階溢流面摻氣濃度最大，無墩時，摻氣濃度最小，使用X型寬尾墩時，摻氣濃度分布處于二者之間，與原型資料深入對比分析發(fā)現(xiàn)，堰面采用Y型寬尾墩和X型寬尾墩時，原型臺階溢流面摻氣量均可滿足摻氣減蝕的需要，而無墩時，摻氣量不能滿足減蝕需要，因此原型會出現(xiàn)空蝕破壞。

2.4 與寬尾墩聯(lián)合應用的消力池研究

為了對與寬尾墩聯(lián)合應用的消力池體型進行確定，首先必須對該消力池水流特性進行研究，再根據(jù)水流特性，結(jié)合消力池水流與下游河道水流銜接需求確定消力池合適體型形式。下面分別對相關(guān)問題的研究成果進行總結(jié)分析。

(1) 寬尾墩三元水躍特性研究[34]。前面工程研究表明，寬尾墩消能形式水流以一橫軸、兩縱軸、兩立軸的三軸形式漩滾，也被稱為三元水躍，如圖7所示。將三元水躍與一般二元水躍形成及發(fā)展機理進行比較可以看出[35]，三元水躍雖有比較明顯的躍后水深，但空中水舌的存在，使躍前水深很難準確估算，因此其理論求解的難度比較大。雖然文獻[36-37]等借助理論推導與試驗資料分析，各自給出了不同寬尾墩體型三元水躍理論求解方法，但求解過程均比較復雜，對一般工程設(shè)計人員而言，直接應用有一定難度。試驗觀察發(fā)現(xiàn)，如果以所謂正常水躍基礎(chǔ)上略帶一點淹沒的狀態(tài)為寬尾墩臨界三元水躍，則其躍后水深與二元水躍躍后水深就比較接近，水躍長度也與二元水躍躍長存在一定相關(guān)關(guān)系，因此可借助此相關(guān)關(guān)系，形成寬尾墩三元水躍簡單經(jīng)驗的估算求解方法。

圖7 寬尾墩三元水躍流態(tài)示意圖

首先針對臨界三元水躍形態(tài)，設(shè)定三個無量綱參數(shù)[38]：流能比K、寬尾墩三元水躍的特征躍長Lt及特征躍高Ht，三個無量綱參數(shù)計算公式分別如下：

(6)

(7)

(8)

式中：q為消力池水流單寬流量，m3/(s·m)；Z為消力池底板以上的總水頭，m；P為堰頂與消力池底板之間的高差，m；h2為躍高，m；Lj為水躍長度，m。

不同臺階面及不同類型寬尾墩體型系列試驗資料測試研究發(fā)現(xiàn)：

① 流能比較小時，一般過流面單寬流量較小，受臺階面消能作用影響，臺階面與光滑壩面躍高差別比較明顯。但隨著單寬流量增加，流能比不斷增大，臺階面消能作用逐漸減弱，躍高差值也越來越小，當流能比超過0.55時，差值已不足5%，若按30 m躍高估算，差值還不足1.5 m。因此對于大單寬泄洪建筑物而言，可得到臺階壩面與光滑壩面二元水躍躍高基本相同[39]。

② 雖然不同壩高、有無寬尾墩及不同寬尾墩體型差異比較大，來流差異也比較大，但特征躍高隨流能比的變化卻比較規(guī)律，在試驗測試范圍內(nèi)，基本呈線性分布，因此可將特征躍高與流能比關(guān)系回歸為一直線關(guān)系式：

Ht=24.41K+0.38

(9)

③ 雖然二元與三元水躍特征躍長不同，但兩種特征躍長均隨流能比的變化呈顯線性變化，對其擬合可得二元與三元特征躍長關(guān)系式分別為：

Lt=44.02K+0.16

(10)

Lt=17.51K+0.34

(11)

式(10) 為二元水躍特征躍長計算式，式(11)為三元水躍特征躍長計算式。進一步分析發(fā)現(xiàn)，流能比為0.04時，三元水躍躍長為二元水躍躍長的54.1%，流能比為0.05時，三元水躍躍長為二元水躍躍長的51.5%，流能比為0.06時，大約為49.6%，流能比為0.07時，大約為48.3%。即相對于二元水躍躍長而言，隨著流能比的增加，三元水躍躍長在不斷減小，且減小的幅度還不斷增加。對于總水頭為百米級的溢流壩，其流能比值基本在0.05～0.06之間，此時，三元水躍躍長僅為二元水躍躍長的50%左右，這一結(jié)果與現(xiàn)有已建工程資料結(jié)論是一致的。

(2) 消力池三元水躍水流壓強特性研究[40]

① 根據(jù)寬尾墩水流作用于消力池底板的時均壓強變化規(guī)律，可將消力池時均壓強作用范圍分為三個區(qū)，即沖擊區(qū)、跳躍區(qū)和恢復過渡區(qū)。

所謂沖擊區(qū)就是寬尾墩水舌直接沖擊的區(qū)域，試驗觀測發(fā)現(xiàn)，該區(qū)域時均壓強一般都比較高，但如果增加尾水深度，則水墊層紊動緩沖作用也會增加，靜壓就會隨之上升，動水壓強隨之減小，反之尾水深度不足或很低時，動水壓強就會大幅度增加，若尾水深度減小到極限狀態(tài)，也就是無尾水試驗條件，底板將承受全水頭的動水壓強沖擊作用；跳躍區(qū)是沖擊區(qū)之后壓強急劇減小的區(qū)域。該區(qū)域時均壓強一般隨沖擊區(qū)動水壓強變化而變化，但方向相反，即沖擊區(qū)動水壓強越大，這一區(qū)域時均壓強越小，沖擊區(qū)動水壓強越小，這一區(qū)域時均壓強越大，有些工程特殊運行工況時，由于下游相對水墊深度非常小，跳躍區(qū)可能還會出現(xiàn)接近零壓的小壓強；跳躍區(qū)之后就是恢復過渡區(qū)，在這一區(qū)域，水流與下游河道實現(xiàn)過渡銜接，水深會逐漸向躍后共軛水深變化，快速增加同時，時均壓強中靜壓所占比例也快速上升，但恢復的程度與消力池消能率及下游河道水深卻密切相關(guān)，即河道水深大或消力池消能率比較高時，壓強快速恢復，水流完成過渡，否則恢復過程所需距離就很長，甚至延續(xù)至消力池下游的河道中。

② 脈動壓強是表征水流紊動特性的一個重要參數(shù)，其大小直接影響消力池底板荷載的變化情況。雖然溢洪道設(shè)計規(guī)范[41]給出了一個利用收縮斷面平均流速計算脈動壓強的建議方法。但研究發(fā)現(xiàn)，由于寬尾墩三元水躍在主水躍兩側(cè)多了部分附加動量轉(zhuǎn)換的水躍紊動，因此該式并不適合，只能通過試驗測試分析確定。

深度研究發(fā)現(xiàn)，相對于傳統(tǒng)Y型寬尾墩而言，X型寬尾墩下部過流為水舌提供了一層動水水墊，因而沖擊區(qū)脈動壓強有所減小，減小幅度大約10%～30%，離開水舌沖擊區(qū)，脈動壓強基本趨于相同；尾水深度的變化，對脈動壓強影響比較明顯。當尾水深度與躍后共軛水舌接近時，其小幅度變化對脈動壓強影響比較大，當尾水深度大于躍后共軛水舌一定幅度后，其影響相對就會小一些；池長相同時，隨著尾坎高度的增加，脈動壓強會有所減小，但尾坎體型與高度相同時，滿足躍長條件下，消力池池長較短的水流脈動壓強相對較長的消力池也會有一定幅度減小。

(3) 消力池體型研究

① 雖然通過前面寬尾墩三元水躍特性變化規(guī)律可以計算消力池池長與池深[40]，但如果定義實際下游消力池水深ht與寬尾墩三元水躍計算躍高h2之比ht/h2為躍后水深比，則對已建工程統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，無論消力池采用什么形式，躍后水深比ht/h2均大于1，即實際躍后水深均比計算水躍躍高大。為了對其做進一步分析，將躍后水深比隨前文定義的水流流能比K的變化規(guī)律進行直線回歸后分析發(fā)現(xiàn)，其相關(guān)性并不是很好，相關(guān)系數(shù)大約為0.77。但可以將其定義為條帶式的分布區(qū)域，則控制其分布的兩條直線關(guān)系式為：

(12)

深度分析發(fā)現(xiàn)，一般戽式消力池池長L都比躍長Lj小，最長的大約為躍長Lj的0.5倍，最小的大朝山工程只有0.23倍，而普通消力池一般都比較長，接近或超過Lj。戽式消力池與普通消力池長度其所以出現(xiàn)較大差別的主要原因在于，戽式消力池利用寬尾墩三元水躍漩滾消能的同時，池末端斜坡式尾坎可將水躍消能后的部分紊動導向水面，如果下游水深比較大，出池后，紊動在很短范圍內(nèi)就會結(jié)束，水深小，則紊動以水流波浪的形式傳向下游水面，但仍可以保證河床不被沖刷，因而戽池短一些；而普通消力池是完全利用三元水躍在消力池內(nèi)漩滾消能，池中必須有足夠的消能水體，因而消力池要長一些。

② 對目前工程中已經(jīng)出現(xiàn)的與寬尾墩聯(lián)合使用的消力池體型進行總結(jié)，可分為三類：第一類為傳統(tǒng)消力池布置形式，第二類為戽式消力池布置形式，第三類為跌坎式消力池布置形式[42]。對幾種消力池體型布置形式研究發(fā)現(xiàn)，雖然這幾種體型解決了目前工程泄洪消能中存在的一些問題，但每種體型優(yōu)、缺點仍然比較突出。

傳統(tǒng)消力池布置形式雖然利用寬尾墩三元水躍消能原理取得了較好的消能效果，但消力池長度與深度的要求比較嚴格；戽式消力池布置形式雖然將寬尾墩三元水躍與戽流消能原理進行了有機的結(jié)合，相對于傳統(tǒng)消力池布置形式，消力池長度得以大幅度減小，但消力池水墊深度要求則更加嚴格；且兩種消力池均有一個共同局限性，即上下游水位差不能太大，否則消力池臨底流速與脈動壓強可能偏大。有些工程通過在壩面與池底板連接的反弧末端位置，采用池底板下降一定距離形成垂直跌坎的跌坎消力池布置形式，在跌坎下游形成一反向旋滾底流部分，既減小了池底板水流的臨底流速，又減緩了寬尾墩水舌對底板的直接沖擊作用力，但跌坎高度對水流流態(tài)比較敏感，同時體型布置增加工程量同時，也為樞紐布置增加了難度[42-47]。

魯?shù)乩c阿海工程結(jié)合試驗研究結(jié)果提出了一種嵌槽式消力池體型布置方式，即相對傳統(tǒng)消力池而言，壩腳與池底板采用兩個小圓弧進行連接，與壩腳相切連接的上游圓弧半徑R=10.0 m，為了減小小挑坎的挑角角度，與消力池底板連接的下游圓弧半徑略有增加，R=15.0 m，兩個圓弧在最低點相切連接，切點處高程比消力池底板降低1.0 m。從圖8流態(tài)縱剖面圖中可以看出兩個反弧似乎為鑲嵌于消力池底板之上的一個小槽，因此稱其為“嵌槽”，嵌槽與尾坎聯(lián)合構(gòu)成嵌槽式消力池布置形式。試驗觀察發(fā)現(xiàn)，采用嵌槽式消力池后，水流經(jīng)過消力池底部嵌槽的導向，近底水流沿著大反弧的挑角方向，出現(xiàn)一個向上的分速度，近底部水流的旋滾部分上移，使原來平行于底板的動水墊具有了向上的動量分量，動水墊利用這部分動量與寬尾墩下壓的沖擊水舌相撞。由于寬尾墩水舌所具有的向下動量遠大于動水墊向上的動量分量，碰撞的結(jié)果使水流大部分動能仍沿底部流動，只有很小一部分改變方向，但這一很小部分的作用卻使近底水流的速度得到減小。試驗測試發(fā)現(xiàn)消力池近底水流流速減小幅度平均在15%～30%之間，脈動壓強的分析結(jié)果表明，最不利運行工況時，嵌槽對脈動壓強均方根有不低于10%的減幅效果，雖然嵌槽對局部底板的沖擊壓強量值分布規(guī)律有微小影響，但不影響底板的整體運行穩(wěn)定性。

圖8 嵌槽消力池流態(tài)對比圖

3 寬尾墩消能技術(shù)有待研究的問題

雖然寬尾墩消能技術(shù)已經(jīng)發(fā)展了30多年，工程中也得到了大量應用，但工程研究與觀察發(fā)現(xiàn)，仍存在一些問題有待進一步研究。

(1) 寬尾墩體型設(shè)計的運行標準選擇問題。目前寬尾墩體型設(shè)計的洪水標準一般是設(shè)計洪水運行工況，滿足校核洪水安全運行即可，但從目前已建工程的運行情況調(diào)查結(jié)果看，大部分工程運行的最高洪水工況都在20年一遇以下，只有個別工程出現(xiàn)了接近50年一遇的洪水，即大部分工程運行并未在低傅汝德數(shù)、大單寬、深尾水的條件下運行，導致部分工程出現(xiàn)不同程度的破壞問題。這一現(xiàn)象說明，目前的寬尾墩體型并不適合工程的中小流量長期運行，因此如何選擇合理的寬尾墩體型設(shè)計標準，使該消能技術(shù)既能滿足大洪水運行條件，也能適應中小洪水安全運行，成為目前寬尾墩體型設(shè)計亟需研究的一個重要問題。

(2) 寬尾墩體型及水力學參數(shù)的計算方法探討。雖然通過大量的試驗研究已經(jīng)提供了一套寬尾墩設(shè)置位置、收縮比、折射角、寬尾墩末端高度及下游消力池的一些體型參數(shù)設(shè)計原則，但受試驗條件所限，這些計算原則只是給定了一些比較模糊的參數(shù)范圍，并無一些準確的量化計算方法，更多的參數(shù)選擇還是依賴于水力學模型試驗。近十多年流體數(shù)值模擬計算方法及相關(guān)商用軟件的出現(xiàn)及發(fā)展，也為寬尾墩水舌計算探討提供了一定參考[48-50]，但限于兩相流計算理論精度差異及計算設(shè)備性能影響，計算結(jié)果能否成為體型選擇或獲得水力學參數(shù)的主要方法還有待商榷。因此采用什么方法，如何準確計算適合于某一工程應用的寬尾墩體型及水力學參數(shù)，成為寬尾墩消能技術(shù)有待研究的另一個重要問題。

(3) 與寬尾墩聯(lián)合應用的臺階面兩相流特性研究。水東、大朝山、索風營、功果橋等十多個工程，雖然利用寬尾墩消能技術(shù)較好的實現(xiàn)了臺階面大單寬過流問題，但臺階面水流均必須通過摻氣減蝕措施解決臺階面大流量破壞問題。盡管大部分已建工程應用狀況良好，但也有個別工程出現(xiàn)臺階面破壞問題。雖然有些工程通過進一步試驗研究，已經(jīng)明確破壞原因，有的是施工原因，有的是摻氣設(shè)施施工不到位，針對破壞原因每個工程均進行了及時修復，修復后觀察運行基本正常。但也有工程經(jīng)過修復后仍出現(xiàn)破壞現(xiàn)象，因此有必要通過臺階面兩相流水流特性的深度分析，對臺階面高水頭、大單寬過流破壞原因進行探索研究，能為寬尾墩消能技術(shù)的發(fā)展提供較好的理論支撐。

4 結(jié) 語

寬尾墩作為一種收縮式消能工先后經(jīng)歷三十多年工程應用與研究的發(fā)展，與其它消能技術(shù)一樣，無論其體型設(shè)計,還是相關(guān)技術(shù)研究成果已非常豐富。本文僅從其工程應用的代表性發(fā)展過程、體型設(shè)計、水力特性等方面對部分工程研究成果進行了總結(jié)說明，并提出幾點未來亟待研究之問題。希望這些說明能為同類工程研究與設(shè)計提供一些借鑒或參考。