陳全寶，張 鵬

（中水東北勘測設計研究有限責任公司，吉林 長春 130021）

1 概述

寬尾墩是一種適用于大單寬、深尾水泄洪建筑物的消能工，能將傳統(tǒng)二元水躍變?yōu)槿S，增加池內摻氣，減小消力池長度[1]。

寬尾墩的體型是消能效果好壞的一個重要因素，常見的有矩形、V型、X型及Y型等。相較于其他型式的寬尾墩，X型寬尾墩的設計特點是墩底開口，此設計可為上部水舌提供一個動水墊，有效緩解底板動水沖擊。

2 適用條件

結合工程設計經驗，寬尾墩的適用范圍需滿足以下條件[2]：1）對于100m級高壩工程，消力池入池單寬流量q=100～200m3/（s·m）；2）對于中壩，消力池入池單寬流量q=80～140m3/（s·m），單寬流量過大會影響消能效率；3）寬尾墩的應用需要以深尾水為必要條件，表征下游尾水水深大小的參數(shù)hd/Pd宜大于0.28，其中，hd為下游水位與消力池底板高差，Pd為溢流表孔堰頂與消力池底板高程差。

3 參數(shù)設計

3.1 確定閘孔收縮比ε

閘孔收縮比參考取值范圍為0.25～0.55。閘孔收縮比越大，寬尾墩消能效果越好，但較大的收縮比可能會影響閘孔泄流能力，抬高閘室水面高程，影響弧門支鉸布置。另外，收縮比會影響出墩水舌的穩(wěn)定性，收縮比越大，出墩水舌高寬比越大，過大的水舌高寬比會使水體穩(wěn)定性變差，影響消能效果。

閘孔收縮比的取值并不能依據(jù)某一個固定解析式求解得到，對某一具體工程條件而言，一般都在一定范圍之內，而且比較合理的ε取值應滿足不影響泄流能力、閘室水面較低、消能率較高、出墩水舌穩(wěn)定性較好、下游河道消能防沖效果較好等原則[3]。

3.2 確定收縮角θ

收縮角θ參考取值范圍為12°～25°。在收縮比一定的情況下，收縮角過大，寬尾墩投影長度L會較短，水流在墩尾處急劇收縮，造成流態(tài)紊動；收縮角過小，寬尾墩水平投影長度L過大，不利于寬尾墩在閘墩側部的布置，同時，過大的L也會使寬尾墩在D，F(xiàn)點不動的情況下，墩尾斷面CEGH（參見圖1）沿溢流面下降較多，甚至使C，E點高程布置于D點高程以下，使寬尾墩體型設計不合理。合適的收縮角會使寬尾墩既滿足其在閘墩側壁的布置，又能形成較為穩(wěn)定的流態(tài)。

收縮角θ與收縮比ε不是獨立存在的，根據(jù)具體工程布置條件，會滿足一定的關系，韓立[4]對使用寬尾墩的部分工程資料進行了綜合分析研究，提出兩者之間的經驗關系式：

式中：Hd為堰面定型水頭，m；Za為堰頂距離寬尾墩末端之間的高差，m。由于Hd一般隨工程條件而定，而Za又確定了寬尾墩在堰面上的位置，所以這一規(guī)律基本反映了收縮角θ、收縮比ε與工程基本條件之間的關系。

3.3 確定I點位置

寬尾墩墩尾線與堰面曲線的交點即為I點，I點位置的選取實際上是對控制寬尾墩的3個參數(shù)(θ，ε，Za)充分協(xié)調的過程，具體布置位置示意圖如圖1所示。

圖1 寬尾墩布置示意圖

3.4 確定H點位置

通過設定IH長度確定H點位置，參考范圍1.0～1.5m。IH長度值太大，底部過流面積較大，大部分流量會從底部流失，不利于寬尾墩的消能；IH長度值太小，可能會給寬尾墩的施工帶來不便，也會因水流在此處急劇收縮，造成閘墩局部沖刷剝蝕破壞。

3.5 確定G點位置

α1為GH與水平線夾角，通過設定角α1確定G點位置。α1太大會增大底部過流面積，造成底部流量流失，不利于寬尾墩的消能；α1過小，寬尾墩結構穩(wěn)定性會受到影響[2]。

3.6 確定F點位置

α2為AI與FG的夾角，通過設定角α2確定F點位置。α2太小，會在閘墩底部流速過大的情況下產生負壓，造成局部空蝕；α2太大，在寬尾墩投影長度L一定的情況下，F(xiàn)點位置過高，不利于寬尾墩體型的形成。

3.7 確定D點位置

D點位置應滿足：

式中：ξ1，ξ2為D點位置參數(shù)；x，y為D點相對于堰頂?shù)淖鴺宋恢茫琺；Hd為堰面定型設計水頭，m。ξ1，ξ2取值應以不影響泄流能力為原則，建議ξ1＞0.85，ξ2＞0.35[3]。

3.8 確定上擺角α3

上擺角α3為CE與水平線夾角。α3的大小控制C點與E點的空間位置關系，此角度太大，即C點高程較E點高很多，束窄了頂部水舌，增強了流線在尾部上挑效果，增加了頂部水舌的挑距，但不利頂部形成擴散式水舌，影響消能效果；α3太小，即C點與E點幾乎同高程，寬尾墩頂部水舌會變的很寬，流線在尾部上挑效果不明顯，挑距變小，不能在頂部形成擴散式散水，也影響消能效果。α3控制寬尾墩頂部水舌的形態(tài)，應以形成穩(wěn)定的、具有一定寬度和挑距的頂部水冠為宜。

3.9 確定C點位置

通過以下3步確定C點位置，如圖2所示。1）找到未設置寬尾墩時墩尾初始水面線L0，計算墩尾斷面過流面積S1；2）通過參數(shù)設計流程可先確定一個“倒Y型”寬尾墩體型，找到“倒Y型”寬尾墩過流面積S2等于S1時的水面線L1，作為E點的起始點；3）向下平移CE線，找到滿足S3=2S4條件下的水面線LC1，作為C點位置。當S3＞2S4時，即下移CE線，C點將處于淹沒狀態(tài)；當S3＜2S4時，即上移CE線，C點位于水面線以上，當S3=2S4時，C點處于臨界狀態(tài)。

圖2 X型寬尾墩C點位置確定過程圖

通過以上3步，找到各典型泄洪工況下的水面線LC1，LC2，……，LCn。協(xié)調各工況，使宣泄控制流量時，C點處于稍淹沒狀態(tài)位置，即在寬尾墩尾形成工字型水舌。研究發(fā)現(xiàn)，C點與堰上水頭密切相關，一般C點與壩面之間的高差（寬尾墩出口斷面總高度）一般取堰上最大工作水頭的1～1.2倍。

3.1 0寬尾墩體型參數(shù)確定

1）通過分析比較，不斷重復上述步驟，確定最終X型寬尾墩體型參數(shù)。

2）通過水工模型試驗及數(shù)值模擬驗證并進一步調整寬尾墩體型參數(shù)。

4 結語

寬尾墩消能工一般適用于深尾水、大單寬條件下的消能建筑物結構布置；控制寬尾墩體型特征的參數(shù)較多，需要各參數(shù)相互協(xié)調，這是一個反復調整的過程；寬尾墩體型特征參數(shù)的確定，應通過水工模型試驗或數(shù)值模擬得以驗證，但在模型試驗開始前，為避免大量重復制作模型，浪費人力、物力和財力，可對寬尾墩體型進行初步設定，再通過模型試驗進行適當調整，大大縮短水工模型試驗周期；通過寬尾墩體型特征參數(shù)調整分析，進行水工模型試驗論證時，可對所涉參數(shù)取大、取小、取長、取短等取值方向的確定提供一定的參考。