寬尾墩聯(lián)合消能原理和類型綜述

宋媛媛 重慶交通大學(xué)

1.引言

寬尾墩是中國林秉南教授首創(chuàng)的一種新型消能工具。主要是利用寬尾墩的堰頂收縮形成射流，在消力池中產(chǎn)生三元水躍，水流的能量于空中散失，從而減小了消力池的長度，節(jié)約了工程量并且減少了工程經(jīng)費(fèi)。寬尾墩的首創(chuàng)減少了對河岸的沖刷，解決了壩工建設(shè)提出的高壩窄河谷、大流量等泄洪消能的技術(shù)難題，因此國內(nèi)外對寬尾墩消能仍在不斷探索中。本文對寬尾墩水流特性及消能的原理及寬尾墩聯(lián)合消能進(jìn)行了簡單闡述與總結(jié),提出了目前存在的問題，并對其今后可能研究的方向提出了建議。

2.寬尾墩的水流特性及消能原理

2.1 寬尾墩的水流特性

寬尾墩消能就是將閘墩尾部通過直線或者曲線沿程加寬，迫使水流在墩的尾部進(jìn)行橫向收縮，水流經(jīng)過墩后向四處擴(kuò)散，由傳統(tǒng)的二元水躍轉(zhuǎn)變特殊的三元水躍。墩加寬后水面會(huì)產(chǎn)生壅高，流出的水流會(huì)由于保持原來狀態(tài)而形成一道“水墻”。肖興斌[8]指出由于空氣接觸面積大且兩側(cè)水流都是紊流，水流的摻氣量增多，可防止壩面腐蝕。墩后會(huì)出現(xiàn)空腔，呈現(xiàn)出大面積無水區(qū)。水流落下后打到墩尾，墩尾對其產(chǎn)生托扶作用，使水表面向上壅高，兩側(cè)水流并不穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)，使得摻入空氣量增多，從而減少對下游的沖刷。

2.2 寬尾墩消能原理

對于寬尾墩的消能原理，劉永川對高速流動(dòng)的水流過墩后消能的原因做出了解釋，一是通過紊流轉(zhuǎn)化為熱能而散逸，遷化轉(zhuǎn)移為熱能后不能再轉(zhuǎn)化回來，從而消能；二是轉(zhuǎn)化為下游緩流斷面的位能和動(dòng)能，但轉(zhuǎn)化為位能后在一定條件下仍能轉(zhuǎn)化回動(dòng)能。但消能不單指能量的消失，也指動(dòng)能的分配。林秉南對于動(dòng)能的轉(zhuǎn)化（如水流通過水躍時(shí)部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為紊動(dòng)能）和動(dòng)能的重新分配做出了很好的解釋。其一由于寬尾墩的加設(shè)，水流在運(yùn)動(dòng)過程中的碰撞以及水流質(zhì)點(diǎn)向不同方向擴(kuò)散造成能量損失；其二出閘室后形成薄片“水舌”，兩片水舌相交匯形成“氣囊”，加大了氣流的摻入；其三收縮流速與水體相互碰撞再與墻壁碰撞，此不斷來回過程中流速減緩，動(dòng)能減小。李中樞等給出了寬尾墩消能計(jì)算的計(jì)算式，分別計(jì)算了平尾墩和寬尾墩的水躍消能損失，同等條件下，寬尾墩較平尾墩消能量增加了8%，證明了寬尾墩消能效果顯著。

3.寬尾墩聯(lián)合消能工的類型及特性分析

3.1 寬尾墩聯(lián)合消能工類型及水力研究

寬尾墩在應(yīng)用中取得成功的同時(shí)也存在著許多問題。尹進(jìn)步指出其一傳統(tǒng)寬尾墩對于大單寬尾水深度小的水流，可能會(huì)引起消力池底板脈動(dòng)急劇上升，甚至毀壞其底板的穩(wěn)定性；其二寬尾墩對于小流量泄洪時(shí)無法進(jìn)行分流從而導(dǎo)致壩面砸現(xiàn)小坑，小坑會(huì)使壩面承受能力削弱，在大流量洪流來臨時(shí)，可能會(huì)引起壩面毀壞；其三寬尾墩相對于平尾墩而言，產(chǎn)生的射流對消力池底板的作用力較大，容易對底板造成破壞。針對這些問題，由實(shí)際工程問題在寬尾墩的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改造提出了Y型寬尾墩；雖經(jīng)過改造后，王永慶等表示常規(guī)的Y型寬尾墩存在以下問題：（1）遇中小流量時(shí)，在壩腳和消力池前部產(chǎn)生較大沖擊壓力；（2）不能對于壩面進(jìn)行充分的使用；（3）挑射水流對消力池底板產(chǎn)生的沖擊壓力更大；由于這些問題的存在，盧紅等在對于烏江索風(fēng)營水電站的設(shè)計(jì)中首次提出了X型寬尾墩的設(shè)計(jì)。

對于X型和Y型寬尾墩的水流特性研究，王波等采用RNGk-ε雙方程紊流模型進(jìn)行計(jì)算和分析，表明Y型水面壅高略高于X型，且Y型墩對速度梯度的影響相較于X型更加激烈。田振華等以實(shí)驗(yàn)水工模型為基礎(chǔ)，研究了X型寬尾墩和Y型寬尾墩的泄洪流態(tài)、底表層流速、壓力以及消能率；在相同工況不同條件下，分別對兩種類型進(jìn)行比較，結(jié)果表明，最大臨底流速X型寬尾墩相對于Y型較小，最大表層流速Y型比X型小，消力池底板壓力X型相較于Y型要大。在工程實(shí)際應(yīng)用中，王均星等以龍開口水電站的實(shí)際工況為基礎(chǔ)，對X型和Y型寬尾墩的墩型優(yōu)化選擇進(jìn)行了比較，提出了消能防沖的最優(yōu)墩型選擇的具體尺寸參數(shù)；李靜等以密松水電站泄水建筑物的布置為基礎(chǔ)，進(jìn)行了十多種方案的比較，最終確定水電站墩型的設(shè)計(jì)方案。

3.2 寬尾墩聯(lián)合消能工消能特性分析

3.2.1 寬尾墩和挑流的聯(lián)合消能

寬尾墩是屬于加寬墩尾以射流散射為基礎(chǔ)的收縮式消能工，是一種附加消能措施，在寬尾墩與挑流聯(lián)合消能中，更改了其原有的消能原理，祁雷對于寬尾墩和挑流聯(lián)合消能基本原理進(jìn)行總結(jié)：沖擊波交匯、摻氣消能，反弧段相鄰水股的碰撞、摻混、摻氣消能和水舌撕開差動(dòng)、并大量摻氣消能。將寬尾墩運(yùn)用于挑流消能，由于其本身的水力特性對其下泄入洪的縱向過水?dāng)嗝嬖龃螅瑴p少了下游建筑物的沖刷。但經(jīng)由寬尾墩后的水流流態(tài)難以控制，故在實(shí)際應(yīng)用中仍需要建立水工模型試驗(yàn)展開研究。

3.2.2 寬尾墩和底流或戽流的聯(lián)合消能

劉錦等表示寬尾墩戽流聯(lián)合消能的消能原理和基礎(chǔ)寬尾墩聯(lián)合消能的原理基本相同，都是利用寬尾墩的尾部加寬從而在堰頂產(chǎn)生了射流，水流在戽池內(nèi)反弧段坦化、交匯和混合使水流內(nèi)部的紊動(dòng)剪切和摻混作用很大程度上加強(qiáng)了，從而二元戽流變?yōu)榉€(wěn)定的三元水躍，但不同的是寬尾墩戽池所產(chǎn)生戽躍的臨界水深顯著下降，使得消能率大大增高。李淳通過試驗(yàn)研究了寬尾墩與戽流聯(lián)合消能的水流流態(tài)、影響因素、設(shè)定寬尾墩后的界限水深和消能效果，并告知了下界水深和上線界限水深的計(jì)算方法。試驗(yàn)結(jié)果表明，通過使用寬尾墩與戽流聯(lián)合消能，使消能率與之前相比增加6%左右。

4.討論

寬尾墩的體型目前有X型、Y型、V型等多種類型，對于實(shí)際工程項(xiàng)目，由于工況條件和水利條件不同，寬尾墩體型的選用依舊無法通過一些計(jì)算或者根據(jù)河道的相關(guān)條件有對應(yīng)的范圍來進(jìn)行選擇，目前仍是通過建立水工模型試驗(yàn)來進(jìn)行優(yōu)化選擇，這樣的工程成本較高且所需的工程時(shí)間也會(huì)相對較長。

對于這樣的問題，我認(rèn)為雖然寬尾墩的體型仍在不斷探索創(chuàng)新中，但可以就已有的體型進(jìn)行試驗(yàn)和計(jì)算整合，結(jié)合大量的工程實(shí)例和已有的計(jì)算方法，對寬尾墩墩型的設(shè)計(jì)的多方面取值和計(jì)算進(jìn)行總結(jié)，可通過建立數(shù)學(xué)模型，對多種不同條件下的不同墩型進(jìn)行比較，得出在相同條件下更是個(gè)的墩型，給出設(shè)計(jì)范圍，從而整理出一套在進(jìn)行寬尾墩設(shè)計(jì)時(shí)可進(jìn)行參考的數(shù)據(jù)范圍。