引言
　　宽尾墩应用于高坝、大单宽流量泄洪枢纽的消能是一项重大的技术革新。十多年来，国内如安康、岩滩、潘家口、隔河岩等大型水电工程中应用了宽尾墩，均取得了良好的效果和巨大的效益，解决了不少泄洪消能的关键性技术问题。对于中、低水头的中、小型泄洪工程，特别是应用广泛的挑流式浆砌石溢流坝，宽尾墩是否适用，效果如何?这是一个值得探讨的课题。80年代以来，广西水电学校水电试验研究所结合区内几个水利水电工程的水工模型试验研究，成功地将宽尾墩应用于挑流式浆砌石重力坝，其中，坡帖水电站溢流坝是已建成运行的第一例工程。坡帖水电站枢纽于1992年11月建成投入运行，经过几年的运行实践证明，宽尾墩在浆砌石溢流坝上的应用是成功的，效果良好，效益显著，具有推广应用的价值。
　　
1　工程设计方案的试验研究
1.1　设计方案布置
　　坡帖水电站位于凌云县伶站乡坡帖屯旁的澄碧河上，距凌云县城33 km，坝址以上集雨面积1 126 km²，电站设计水头26.5 m，装机容量3×2 000 kW。工程枢纽按坝后式电站布置，主坝最大坝高40 m总长132 m，为浆砌石重力坝，右侧接头副坝为均质土坝。限于地形条件，溢流坝布置在河床左侧，溢流堰上设3扇8 m×6 m(宽×高)弧形钢闸门；采用挑流消能，溢流段进口宽27 m，至鼻坎断面收缩为24 m；溢流堰顶高程289.50 m，鼻坝高程270.00 m，挑角20°。
　　 水库正常高水位295.00 m，设计洪水泄流单宽流量每米27 m³/s，校核洪水泄流单宽流量每米38 m³/s，坝址位置地质条件较差，基岩为粉砂质泥岩夹砂岩，允许流速2.5 m/s～3.5 m/s。布置详见图1，图2。

图1　坡帖电站枢纽布置图

图2a　原设计方案溢流坝剖面图

图2b　宽尾墩方案溢流坝剖面图

图2c　宽尾墩大样图
图2　原设计方案与宽尾墩方案溢流坝剖面图

1.2　试验情况及成果分析
　　由于溢流坝泄流能量较集中，而下游水深不大，水垫消能率较低，使冲坑内外水压差较大，出坑后水流余能较大；加上枢纽布置的限制和坝下游袋形地形的影响，水流直冲坝对面的突出山嘴，部分水流沿山嘴贴边流向下游，而相当大部分水股则沿右岸坡折向上游，在坝下游袋形地段内形成一个很强的右旋回流区，回流区水位差较大，回流流速达5 m/s～8 m/s。坝下整个区域内水流混乱，波浪汹涌，厂房尾水段水位显著壅高，且波涌剧烈。
　　由于泄洪时坝下游段水流严重失衡，回流水股直冲电站尾水区左段和溢流坝坝脚，部分水股则冲击坝脚左侧岸坡后潜底回淘，造成了坝脚和电站尾水段的严重冲、淘刷。当下泄设计洪水时，坝脚淘深达3 m～7 m，校核洪水时淘深达9 m～12 m，主冲坑深达13 m～15 m，下游左岸坡也产生较严重的冲刷。
1.3　设计方案的存在问题
　　根据对试验情况和成果资料的综合分析，设计方案布置存在的主要问题是：溢流坝泄流能量较集中，消能不充分，加上下游地形的限制，使坝下游形成大范围、大强度的回流区，造成了较严重的冲、淘刷，直接威胁到大坝和电站厂房的安全。小流量泄洪时，出流衔接不良，不利于电站的发电运行。
　　
2　宽尾墩布置方案研究
　　由于该工程受到地质、地形条件以及工程投资等因素的限制，枢纽布置不宜作较大的变动。要求方案修改在设计方案基本布置的基础上进行。针对设计方案的存在问题，通过多方案的试验比较和综合分析，最后推荐了宽尾墩布置方案。
2.1　方案布置
　　宽尾墩布置见图1，图2。溢流坝仍采用原设计剖面和基本布置，在闸墩后段设对称矩形宽尾形成宽尾墩，宽尾段长4.12 m，闸孔收缩率β=0.59，墩尾折角θ=21.705°，为使下游出流较顺畅，将下游出口突出山嘴和左岸坡作了适当开挖。
　　枢纽其余布置与设计方案同。
2.2　流态分析及消能机理
　　按宽尾墩方案布置，溢流坝泄洪时，受收缩墩尾的影响，闸室后半部水位壅高，水面呈U形，沿闸墩边壁产生急流驻波；水流沿程横断面发生较大的变化，流向、流速分布急剧改变，造成了能量损失。
　　由于惯性的作用，水流出闸室后在短距离内仍保持着收缩的倾向，上层水面向内翻卷形成两道“水翅”，水翅间形成一上端开口的“空腔”，继而向下抛射。射流沿程横断面由凹字形逐渐转变成凸字形，压力梯度急剧变化，流线与坝面曲线之间存在较大的夹角，竖向、横向分速较大。下泄水股沿程横向扩散，与邻孔水股在反弧段相互碰撞、顶托而激起了很高的挑射水冠向下抛出，沿孔中则为较薄的、带横向扩散趋势的挑流水舌，挑射水冠的厚度为孔中出射水舌厚度的5倍～8倍。整个挑流水舌的厚度较常规二元挑流水舌的厚度明显增加，且剧烈掺混，大量掺气，在原型中呈团絮状，落点面积大大增加。
　　三元性的挑流水舌夹带着大量气体进入下游水垫，在冲坑内形成了较强烈的三元水跃，水跃产生的多尺度的三轴旋辊使坑内水流充分紊乱，消能充分，出坑后与下游水流良好衔接。
　　综合试验成果和原型泄洪情况的分析，宽尾墩促进消能的主要机理是：
　　(1)　利用宽尾墩使射流横向收缩——扩散、纵向扩散的特性形成了一系列特殊流态，有效地加强了下泄水流的碰撞、掺混和内部剪切作用，增加了泄流在坝面的能量损失；
　　(2)　水流下泄的整个过程中，其有效掺气面积和掺气强度都大大增加；
　　(3)　形成高度掺气、落点分散的三元性挑流水舌，冲坑内产生强烈的三元水跃，使射流在空中和游水垫里的消能率都得到较大幅度的提高。
2.3　试验成果比较
　　由于射流消能较充分，下游的回流范围和强度都得到了控制，坝下冲刷情况则有了显著的改善：在下泄设计洪水时，主冲坑深点比设计方案时浅了7.3 m，校核洪水浅了6.1 m，且下泄各级洪水时坝脚均未发生淘刷(设计方案布置坝脚淘深7 m～12 m)。可见，采用宽尾墩挑流联合消能工有效地提高了消能防冲的效果，满足了工程安全运行的要求和电站发电运行的需要。
2.4　压力分布及空蚀分析
　　试验中，测试了闸墩和坝面的时均动水压力和脉动压力。由试验成果可见，采用宽尾墩布置，泄流时闸墩和坝面压力都较常规布置时有所加大，坝面最大压力位于反弧低点附近——与射流上部水股对反弧段的冲击有关。而对于一般中、低水头的中小型泄洪工程，其泄流动水压力和脉动压强的绝对值都较小，故对坝体材料(如浆砌石混凝土护面坝体)是安全的，对闸墩和坝面结构的稳定也不起控制作用。
　　由试验成果可见，溢流坝泄流时坝面各部位的空穴指数均较大，而下泄水流沿程掺气都较充分，边界层水流的紊动度较大，易于掺气，即使在局部区域产生空穴，由此而导致空蚀破坏的可能性亦很小。
　　以上分析经工程几年来的运行证明是正确的。
　　
3　宽尾墩体型及布置的几点体会
　　对于一般中、低水头的中小型挑流式消能泄水工程，应优先考虑采用矩形宽尾墩，其优点是体型简单，效果显著，且结构上较易满足，施工也较简便。
　　当泄洪建筑物下游有弯道，或与相邻建筑物较为接近时，要求使水流导向，可考虑在边孔布置不对称的宽尾墩。采用不对称布置时，两侧宽尾的始扩点必须一致或者折转角较大的一侧始扩点比折角较小的一侧始扩点略偏上游，这样布置，才能使水流导向作用明显且导向角较稳定。
　　对于陡坡段较长、较缓的溢洪道，为更好地利用宽尾墩射流的特性，可在闸室出口处设置小斜坎，以避免射流水股较快地扩散、坦化，以及在距离反弧段较远处产生挑射水冠。
　　宽尾墩体型参数选择的原则：一是要不影响泄流能力，不影响闸门运行(如淹没弧门支铰)；二是应能使水流的扩散、掺气效果好，提高消能率；另外，特有的局部流态应控制在适当的范围内(如，若β值过小，闸室后段将形成水跃，破坏了宽尾墩射流特有的局部流态)。对于一般的中小型挑流式溢流坝，可参考选用：
　　闸孔收缩率β=0.53～0.72；
　　墩尾折角θ=17°～23°。
　　
4　结语
　　(1)　经过试验研究和工程实践验证，宽尾墩应用于中小型挑流式溢流坝，效果良好，效益显著，是值得推广的消能型式。
　　(2)　由综合分析和原型实践可知，中、低水头的宽尾墩射流不会引起泄洪建筑物的冲击振动破坏和空蚀破坏，对浆砌石坝体材料是安全的。
　　(3)　宽尾墩体型参数的选择及布置，应根据工程的具体条件经综合分析而定，以简单、有效，而又不破坏宽尾墩水流特有的局部流态为度。在条件许可的情况下，最好通过试验验证。
　　(4)　对射流雾化影响的讨论。
　　一般认为，由于宽尾墩射流的充分掺气和扩散，射流的雾化将较严重，进行电站厂房和运行管理设施的设计时须特别考虑。
　　根据对坡帖水电站溢流坝泄流的原型流态观测，以及对有关工程运行经验的分析，认为：宽尾墩射流主要雾源在水舌落水冲击区，核心水流的集中雾化强度略小于常规挑流布置，但范围较大。在正常的天气情况下，由于射流产生的水舌风的作用，雾汽主流的影响范围主要在水舌落点以下的下游段，并顺河谷向下游飘散，而对大坝两侧的影响较小。对于下游有一段较顺直河谷的工程，坝后式电站厂房和附近的建筑物的防雾设计可按常规布置考虑。

　

参考文献

1　李上游，姚焕林.宽尾墩与挑流消能工联合运用的试验研究.广西水电水利科技，1989(3)：42～51.