本發(fā)明屬于水利水電工程的引流設(shè)施，特別涉及一種用于消除溢洪道、泄洪洞閘墩后或河道閘壩墩后水翅現(xiàn)象的尾墩。

背景技術(shù)：
大多數(shù)水利水電工程中，當(dāng)設(shè)計(jì)流量較大時(shí)，常在溢洪道進(jìn)口段加設(shè)閘墩，將進(jìn)水口分隔成數(shù)孔，以減小閘門尺寸，防止閘門跨度過大。但在泄洪時(shí)，閘墩尾部卻極易發(fā)生水翅(水冠)現(xiàn)象，所謂水翅現(xiàn)象是指從閘室下泄的水流在中墩尾部交匯時(shí)，激起一股形狀類似魚類背鰭的水體，這種現(xiàn)象往往會(huì)給水工建筑物帶來諸多不利影響甚至危害。若下泄水流稍有波動(dòng)或閘墩兩側(cè)閘門未對(duì)稱開啟，都會(huì)導(dǎo)致水翅在泄槽內(nèi)擺動(dòng)、沖擊甚至翻越邊墻，勢必增加溢洪道邊墻的設(shè)計(jì)高度，從而提高工程造價(jià)。而強(qiáng)水翅形成的水霧所引起的霧化問題也會(huì)影響附近電站的電氣設(shè)備正常運(yùn)行，還會(huì)影響周圍的建筑物和地質(zhì)環(huán)境。若水翅發(fā)生在泄洪洞中，激起的水流容易沖擊泄洪洞頂，其引起的波動(dòng)還會(huì)造成泄洪洞內(nèi)水流流態(tài)不穩(wěn)，嚴(yán)重威脅到泄洪洞的安全運(yùn)行。此外，河道閘壩墩后的水翅還會(huì)形成菱形波等不良流態(tài)，干擾正常的泄洪消能。降低水翅高度的傳統(tǒng)方法是在閘墩后加設(shè)類似圖1所示的四棱臺(tái)型尾墩，該類尾墩雖然能在一定程度上減弱水翅現(xiàn)象，但仍然無法有效避免水翅的發(fā)生，尤其當(dāng)下泄流量為大、中流量時(shí)，尾墩后形成的水翅依然會(huì)影響下泄水流流態(tài)的平穩(wěn)，因此該類尾墩在實(shí)際工程應(yīng)用中還存在一定的局限性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種消除水翅的復(fù)合式尾墩，以有效消除閘墩后的水翅現(xiàn)象，改善溢洪道、泄洪洞或下游河道內(nèi)的流態(tài)，提高泄水建筑物運(yùn)行的安全性。本發(fā)明提供的消除水翅的復(fù)合式尾墩，由位于上部的隔水墩和位于下部的托流墩座組成，且隔水墩和托流墩座為一體化結(jié)構(gòu)；所述隔水墩為五面體，具有第一后端面、第一左側(cè)面、第一右側(cè)面、第一頂面和第一底面；第一后端面為鉛垂面且形狀為矩形，該矩形第一后端面的上邊和下邊的邊長b與閘墩的寬度相同；第一底面的形狀為等腰三角形，該等腰三角形第一底面以第一后端面的下邊為底邊，該底邊上的高在水平面的投影長度L為Lc的1.3～1.5倍，所述Lc＝0.5b·k·Frm，式中，k＝1.5～2.0，F(xiàn)rm為閘墩墩尾處泄流的最大弗汝德數(shù)；第一左側(cè)面和第一右側(cè)面為形狀及尺寸相同的梯形面，第一左側(cè)面、第一右側(cè)面分別以矩形第一后端面的左邊和右邊為下底，均以通過等腰三角形第一底面頂點(diǎn)的鉛垂線為上底，所述上底的長度小于下底的長度；第一頂面的形狀為等腰三角形，該等腰三角形第一頂面以第一后端面的上邊為底邊，以第一左側(cè)面或第一右側(cè)面的上底上端點(diǎn)為頂點(diǎn)；所述托流墩座為曲面體，具有第二前端面、第二后端面、第二左側(cè)面、第二右側(cè)面、第二頂面和第二底面；第二前端面為半橢圓錐面，該半橢圓錐面以通過隔水墩中的等腰三角形第一底面頂點(diǎn)的鉛垂線為中心線，所述半橢圓錐面的高度h2為所在位置處最大泄流水深的0.30～0.40倍，該半橢圓錐面在水平面的投影寬度與第一后端面的下邊邊長相等，在水平面的投影長度為第一后端面下邊邊長的1～1.5倍；第二后端面為鉛垂面且形狀為矩形，該矩形第二后端面的上邊和下邊的邊長與第一后端面上邊和下邊的邊長相等，該矩形第二后端面左邊和右邊的邊長h3與所述半橢圓錐面的高度h2相等；第二頂面與隔水墩中的第一底面為同一等腰三角形面，第二頂面為托流墩座與隔水墩的結(jié)合面；第二左側(cè)面和第二右側(cè)面均為扭面且互為鏡像對(duì)稱，第二左側(cè)面的前端與形成第二前端面的半橢圓錐面左側(cè)銜接，第二左側(cè)面以第二后端面的左邊為后端，第二右側(cè)面的前端與形成第二前端面的半橢圓錐面右側(cè)銜接，第二右側(cè)面以第二后端面的右邊為后端；第二底面的形狀與閘墩之后溢洪道、泄洪洞或消力池底板的坡度相匹配，第二底面的水平投影寬度與第二后端面的下邊邊長相等。上述消除水翅的復(fù)合式尾墩的技術(shù)方案中，所述隔水墩的第一左側(cè)面和第一右側(cè)面上底的長度h1為所在位置處最大水深的0.45～0.50倍。上述消除水翅的復(fù)合式尾墩的技術(shù)方案中，隔水墩中第一后端面的左邊邊長與托流墩座中第二后端面的左邊邊長之和h＝隔水墩中第一后端面的右邊邊長與托流墩座中第二后端面的右邊邊長之和h＝閘墩墩尾處泄流的最大水深的1.05～1.1倍。上述消除水翅的復(fù)合式尾墩的技術(shù)方案中，隔水墩中的第一頂面與第一左側(cè)面、第一右側(cè)面通過圓弧面過渡。本發(fā)明所述消除水翅的復(fù)合式尾墩的安裝方式：將復(fù)合式尾墩的隔水墩的第一后端面、托流墩座的第二后端面與閘墩的尾部相接，將托流墩座的第二底面安裝在閘墩后的底板上。試驗(yàn)研究表明：下泄水流脫離閘墩墩壁的約束后，會(huì)在閘墩后方出現(xiàn)明顯的橫向擴(kuò)散現(xiàn)象，使得泄流匯合后發(fā)生碰撞并產(chǎn)生水翅；此外，擴(kuò)散的泄流在重力作用下出現(xiàn)指向底板的流動(dòng)趨勢，使得泄流匯合后還形成了指向底板的壓能，集中的壓能在底板和周圍水體的擠壓作用下，使部分水流反彈出水面形成水翅。根據(jù)上述水翅形成的原因，本發(fā)明所述復(fù)合式尾墩消除水翅的主要原理如下：1.分散泄流在匯合時(shí)所形成的集中的壓能：當(dāng)兩股下泄擴(kuò)散的泄流流經(jīng)本發(fā)明所述復(fù)合式尾墩上部的隔水墩時(shí)，泄流會(huì)沿隔水墩的頂面交匯碰撞，這樣就把水流橫向擴(kuò)散碰撞產(chǎn)生壓能的位置沿水流運(yùn)動(dòng)方向加以縱向分散，減少了壓能的迭加集中，有利于削減水翅；2.減弱泄流擴(kuò)散后指向底板的流動(dòng)趨勢：本發(fā)明所述復(fù)合式尾墩下部的托流墩座的第二左側(cè)面、第二右側(cè)面為扭面，第二前端面為半橢圓錐面，其在引導(dǎo)泄流沿托流墩座兩側(cè)向下游流動(dòng)時(shí)，會(huì)使水流運(yùn)動(dòng)方向趨于與底板平行，起到分散下泄水流壓能對(duì)底板的作用。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：1.本發(fā)明提供的消除水翅的復(fù)合式尾墩是一種新型結(jié)構(gòu)的尾墩，該復(fù)合式尾墩是由位于上部的隔水墩和位于下部的托流墩座組成的一體化結(jié)構(gòu)，由于所述隔水墩能分散泄流匯合時(shí)形成的集中的壓能，同時(shí)，由于所述托流墩座在引導(dǎo)泄流沿托流墩座兩側(cè)向下游流動(dòng)時(shí)，能減弱泄流擴(kuò)散后指向底板的流動(dòng)趨勢，從而起到分散下泄水流壓能對(duì)底板的作用，因此本發(fā)明所述復(fù)合式尾墩能優(yōu)化下泄水流流態(tài)，可有效避免大、中流量下溢洪道閘墩或河道閘壩墩后產(chǎn)生水翅。2.在溢洪道閘墩后設(shè)置本發(fā)明所述復(fù)合式尾墩，可降低溢洪道底板由水翅跌落引起的脈動(dòng)壓力，提高運(yùn)行的安全性，并降低溢洪道邊墻高度，節(jié)約工程投資。3.在河道閘壩墩后設(shè)置本發(fā)明所述復(fù)合式尾墩，可消除閘墩后由水翅引起的菱形波或沖擊波對(duì)河道岸坡的掏刷，有利于岸坡的穩(wěn)定。4.由于本發(fā)明所述復(fù)合式尾墩上部的隔水墩的第一頂面與第一左側(cè)面、第一右側(cè)面通過圓弧面過渡，下部的托流墩座的第二左側(cè)面、第二右側(cè)面為扭面，第二前端面為半橢圓錐面，因而能夠提高該復(fù)合式尾墩的耐水流沖擊能力，進(jìn)而提高其使用壽命。5.本發(fā)明所述復(fù)合式尾墩結(jié)構(gòu)簡單，施工可操作性強(qiáng)，具有廣闊的應(yīng)用前景。附圖說明圖1是一種現(xiàn)有四棱臺(tái)型尾墩的立體圖；圖2是本發(fā)明所述消除水翅的復(fù)合式尾墩的立體圖；圖3是圖2的投影圖；圖4是組成本發(fā)明所述消除水翅的復(fù)合式尾墩的隔水墩的主視圖；圖5是組成本發(fā)明所述消除水翅的復(fù)合式尾墩的隔水墩的俯視圖；圖6是組成本發(fā)明所述消除水翅的復(fù)合式尾墩的隔水墩的右視圖；圖7是組成本發(fā)明所述消除水翅的復(fù)合式尾墩的托流墩座的主視圖；圖8是組成本發(fā)明所述消除水翅的復(fù)合式尾墩的托流墩座的俯視圖；圖9是組成本發(fā)明所述消除水翅的復(fù)合式尾墩的托流墩座的右視圖；圖10是本發(fā)明所述消除水翅的復(fù)合式尾墩用于溢洪道閘墩后的一種安裝布局圖；圖11是圖10的A-A的剖視圖；圖12是本發(fā)明所述消除水翅的復(fù)合式尾墩用于河道閘壩閘墩后的一種安裝布局圖；圖13是圖12的B-B剖視圖。圖中，1—隔水墩，1-1—第一后端面，1-2—第一左側(cè)面，1-3—第一右側(cè)面，1-4—第一頂面，1-5—第一底面，1-6—通過等腰三角形第一底面頂點(diǎn)的鉛垂線，1-7—圓弧面，2—托流墩座，2-1—第二前端面，2-2—第二后端面，2-3—第二左側(cè)面，2-4—第二右側(cè)面，2-5—第二頂面，2-6—第二底面，3—復(fù)合式尾墩，4—溢洪道，5—閘墩，6—閘室，7—實(shí)用溢流堰，8—弧形閘門，9—溢洪道底板，10—胸墻，11—平底溢流堰，12—變坡段，13—消力池，14—消力池底板，b—第一后端面的上邊和下邊的邊長，L—第一底面底邊上的高在水平面上的投影長度，h1—第一左側(cè)面和第一右側(cè)面上底的長度，h2—半橢圓錐面的高度，h3—第二后端面左邊和右邊的邊長，h—隔水墩中第一后端面的左邊或右邊邊長與托流墩座中第二后端面的左邊或右邊邊長之和，θ—溢洪道的坡角。具體實(shí)施方式以下通過實(shí)施例并結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明所述消除水翅的復(fù)合式尾墩的結(jié)構(gòu)和使用方式作進(jìn)一步說明。實(shí)施例1本實(shí)施例中，消除水翅的復(fù)合式尾墩由鋼筋混凝土澆注成形，該復(fù)合式尾墩的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2～9所示。該復(fù)合式尾墩用于溢洪道進(jìn)水口的閘墩后，所處工程的溢流堰為實(shí)用堰，其中閘墩的寬度為4.5m，閘墩墩尾的形狀為矩形，閘墩墩尾處泄流的最大弗汝德數(shù)Frm＝3.2，閘墩墩尾處的最大水深為11.5m，溢洪道的坡角θ＝12.5°。本實(shí)施例中，消除水翅的復(fù)合式尾墩，由位于上部的隔水墩1和位于下部的托流墩座2組成，且隔水墩和托流墩座為一體化結(jié)構(gòu)；所述隔水墩1為五面體，具有第一后端面1-1、第一左側(cè)面1-2、第一右側(cè)面1-3、第一頂面1-4和第一底面1-5；第一后端面1-1為鉛垂面且形狀為矩形，該矩形第一后端面的上邊和下邊的邊長b與閘墩的寬度相同，即b＝4.5m；第一底面1-5為斜面且形狀為等腰三角形，該等腰三角形第一底面與水平面的夾角等于溢洪道的坡角θ，即θ＝12.5°，該等腰三角形第一底面以第一后端面1-1的下邊為底邊，該第一底面底邊上的高在水平面的投影長度L為Lc的1.3倍，所述Lc＝0.5b·k·Frm，式中，k＝1.5，F(xiàn)rm為閘墩墩尾處泄流的最大弗汝德數(shù)，即L＝1.3Lc＝1.3×0.5×4.5×1.5×3.2＝14m；第一左側(cè)面1-2和第一右側(cè)面1-3為形狀及尺寸相同的梯形面，第一左側(cè)面、第一右側(cè)面分別以矩形第一后端面的左邊和右邊為下底，均以通過等腰三角形第一底面頂點(diǎn)的鉛垂線1-6為上底，第一左側(cè)面1-2、第一右側(cè)面1-3上底的長度h1為所在位置處最大水深的0.5倍，h1＝0.5×8m＝4m，所述上底的長度小于下底的長度；第一頂面1-4的形狀為等腰三角形，該等腰三角形第一頂面以第一后端面1-1的上邊為底邊，以第一左側(cè)面或第一右側(cè)面的上底上端點(diǎn)為頂點(diǎn)，且第一頂面1-4與第一左側(cè)面1-2、第一右側(cè)面1-3通過圓弧面1-7過渡，所述圓弧面1-7為底面半徑為1m的1/4圓錐面。所述托流墩座2為曲面體，具有第二前端面2-1、第二后端面2-2、第二左側(cè)面2-3、第二右側(cè)面2-4、第二頂面2-5和第二底面2-6；第二前端面2-1為半橢圓錐面，該半橢圓錐面以通過等腰三角形第一底面頂點(diǎn)的鉛垂線為中心線，該半橢圓錐面的高度h2為所在位置處最大泄流水深的0.4倍，即h2＝0.4×8m＝3.2m，該半橢圓錐面在水平面的投影寬度與第一后端面1-1的下邊邊長相等，在水平面的投影長度為第一后端面1-1下邊邊長的1倍，即4.5m；第二后端面2-2為鉛垂面且形狀為矩形，該矩形第二后端面的上邊和下邊的邊長與第一后端面1-1上邊和下邊的邊長相等，該矩形第二后端面左邊和右邊的邊長h3與所述半橢圓錐面的高度h2，即h3＝h2＝3.2m；第二頂面2-5與隔水墩1中的第一底面1-5為同一等腰三角形面，第二頂面2-5為托流墩座2與隔水墩1的結(jié)合面；第二左側(cè)面2-3和第二右側(cè)面2-4均為扭面且互為鏡像對(duì)稱，第二左側(cè)面2-3的前端與形成第二前端面2-1的半橢圓錐面左側(cè)銜接，第二左側(cè)面2-3以第二后端面的左邊為后端，第二右側(cè)面2-4的前端與形成第二前端面2-1的半橢圓錐面右側(cè)銜接，第二右側(cè)面2-4以第二后端面的右邊為后端；第二底面2-6的形狀與閘墩之后溢洪道的坡度相匹配，第二底面2-6的水平投影寬度與第二后端面2-2的下邊邊長相等；隔水墩1中第一后端面1-1的左邊邊長與托流墩座2中第二后端面2-2的左邊邊長之和h＝隔水墩1中第一后端面1-1的右邊邊長與托流墩座2中第二后端面2-2的右邊邊長之和h＝閘墩墩尾處泄流最大水深的1.05倍，即h＝1.05×11.5m＝12.1m。將本實(shí)施例所述消除水翅的復(fù)合式尾墩用于溢洪道閘墩后的一種安裝布局圖如圖10、11所示，在閘墩5后安裝了兩個(gè)復(fù)合式尾墩3，具體安裝方式為：將復(fù)合式尾墩3的隔水墩的第一后端面1-1、托流墩座的第二后端面2-2與閘墩5的尾部相接，將托流墩座的第二底面2-6安裝在閘墩5后的溢洪道底板9上。試驗(yàn)表明，本實(shí)施例提供的復(fù)合式尾墩有效解決了水翅現(xiàn)象，消除了由水翅引起的菱形波、沖擊波等，明顯改善了溢洪道內(nèi)水流流態(tài)，并降低了溢洪道底板的脈動(dòng)壓力。實(shí)施例2本實(shí)施例中，消除水翅的復(fù)合式尾墩由鋼筋混凝土澆注成形，該復(fù)合式尾墩的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2～9所示。該復(fù)合式尾墩用于河道閘壩墩后，所處工程的溢流堰采用寬頂堰，三孔泄洪，其閘墩寬度為5m，閘墩墩尾的形狀為矩形，閘墩墩尾處泄流的最大弗汝德數(shù)Frm＝2.6，閘墩墩尾處的最大水深為12m。本實(shí)施例中，消除水翅的復(fù)合式尾墩，由位于上部的隔水墩1和位于下部的托流墩座2組成，且隔水墩和托流墩座為一體化結(jié)構(gòu)；所述隔水墩1為五面體，具有第一后端面1-1、第一左側(cè)面1-2、第一右側(cè)面1-3、第一頂面1-4和第一底面1-5；第一后端面1-1為鉛垂面且形狀為矩形，該矩形第一后端面的上邊和下邊的邊長b與閘墩的寬度相同，即b＝5m；第一底面1-5的形狀為等腰三角形且水平設(shè)置，該等腰三角形第一底面以第一后端面1-1的下邊為底邊，該第一底面底邊上的高在水平面的投影長度L為Lc的1.5倍，所述Lc＝0.5b·k·Frm，式中，k＝1.5，F(xiàn)rm為閘墩墩尾處泄流的最大弗汝德數(shù)，即L＝1.5Lc＝1.5×0.5×5×1.5×2.6＝14.6m；第一左側(cè)面1-2和第一右側(cè)面1-3為形狀及尺寸相同的梯形面，第一左側(cè)面、第一右側(cè)面分別以矩形第一后端面的左邊和右邊為下底，均以通過等腰三角形第一底面頂點(diǎn)的鉛垂線1-6為上底，第一左側(cè)面1-2、第一右側(cè)面1-3上底的長度h1為所在位置處最大水深的0.5倍，h1＝0.5×9m＝4.5m，所述上底的長度小于下底的長度；第一頂面1-4的形狀為等腰三角形，該等腰三角形第一頂面以第一后端面1-1的上邊為底邊，以第一左側(cè)面或第一右側(cè)面的上底上端點(diǎn)為頂點(diǎn)，且第一頂面1-4與第一左側(cè)面1-2、第一右側(cè)面1-3通過圓弧面1-7過渡，所述圓弧面1-7為底面半徑為1m的1/4圓錐面。所述托流墩座2為曲面體，具有第二前端面2-1、第二后端面2-2、第二左側(cè)面2-3、第二右側(cè)面2-4、第二頂面2-5和第二底面2-6；第二前端面2-1為半橢圓錐面，該半橢圓錐面以通過等腰三角形第一底面頂點(diǎn)的鉛垂線為中心線，該半橢圓錐面的的高度h2為所在位置處最大泄流水深的0.3倍，即h2＝0.3×9m＝2.7m，該半橢圓錐面在水平面的投影寬度與第一后端面1-1的下邊邊長相等，在水平面的投影長度為第一后端面1-1下邊邊長的1.5倍，即7.5m；第二后端面2-2為鉛垂面且形狀為矩形，該矩形第二后端面的上邊和下邊的邊長與第一后端面1-1上邊和下邊的邊長相等，該矩形第二后端面左邊和右邊的邊長h3與所述該半橢圓錐面的的高度h2，即h3＝h2＝2.7m；第二頂面2-5與隔水墩1中的第一底面1-5為同一等腰三角形面，第二頂面2-5為托流墩座2與隔水墩1的結(jié)合面；第二左側(cè)面2-3和第二右側(cè)面2-4均為扭面且互為鏡像對(duì)稱，第二左側(cè)面2-3的前端與形成第二前端面2-1的半橢圓錐面左側(cè)銜接，第二左側(cè)面2-3以第二后端面的左邊為后端，第二右側(cè)面2-4的前端與形成第二前端面2-1的半橢圓錐面右側(cè)銜接，第二右側(cè)面2-4以第二后端面的右邊為后端；第二底面2-6的形狀與閘墩之后的變坡段和消力池底板的坡度相匹配，第二底面2-6的水平投影寬度與第二后端面2-2的下邊邊長相等；隔水墩1中第一后端面1-1的左邊邊長與托流墩座2中第二后端面2-2的左邊邊長之和h＝隔水墩1中第一后端面1-1的右邊邊長與托流墩座2中第二后端面2-2的右邊邊長之和h＝閘墩墩尾處泄流最大水深的1.05倍，即h＝1.05×12m＝12.6m。將本實(shí)施例所述消除水翅的復(fù)合式尾墩用于河道閘壩墩后的一種安裝布局圖如圖12、13所示，所述河道閘壩閘墩5后有一變坡段12連接寬頂堰11和消力池底板14，在閘墩5后安裝了三個(gè)復(fù)合式尾墩3，具體安裝方式為：將復(fù)合式尾墩3的隔水墩的第一后端面1-1、托流墩座的第二后端面2-2與閘墩5的尾部相接，將托流墩座的第二底面2-6的一部分安裝在閘墩5后的變坡段12上、一部分安裝在消力池底板14上。試驗(yàn)表明，本實(shí)施例提供的復(fù)合式尾墩有效解決了水翅現(xiàn)象，消除了閘墩后由水翅引起的菱形波和沖擊波等不良流態(tài)及高水翅引起的霧化問題，并減輕了水流對(duì)河道岸坡的掏刷。