CN101349048A - 全断面阶梯消能工 - Google Patents

Abstract

一种全断面阶梯消能工，由设置在溢洪道或泄洪洞底板上的阶梯消能工和设置在溢洪道或泄洪洞两边墙上的阶梯消能工组成，即在溢洪道或泄洪洞的底板和两边墙上均设置有阶梯消能工，其消能机理：水流在通过底板上的阶梯时，发生水流的跌落、回旋、剪切作用，水面上的空气被卷入水体中；边墙的阶梯加剧了水流的紊动，提高了消能效果，并使水流沿程不断收缩和扩大，在侧面形成空腔，气流从空腔中进入底部阶梯面上，使得整个断面的水流充分掺气，避免了空蚀破坏等不利影响。

Description

全断面阶梯消能工

技术领域

本发明涉及一种用于大单宽流量溢洪道或泄洪洞的阶梯消能工。

背景技术

溢洪道(泄洪洞)一般具有落差大，泄流量大等特点，对于下游河道宽敞，地质条件好的工程往往采用挑流消能，而对于山区河道，由于河道狭窄，采用挑流消能出口流速很大，对下游不利。随着碾压混凝土技术的发展，阶梯施工更加方便，而且阶梯易于检修、易于恢复，因此，阶梯消能工在溢洪道的应用得到了推广，但现有溢洪道使用的阶梯消能工均将阶梯设置在溢洪道的底板上。研究表明，在溢洪道底板上设置消能工，消能率随着阶梯高度的增加有所增大，随着溢洪道单宽流量增大而减小，在大单宽流量下就不能保证足够的消能率，因此，在单宽流量大于50m³/s.m的工程中，很少使用阶梯消能工。国内外的工程实例中，大单宽流量溢洪道(泄洪洞)设置的阶梯消能工是一种辅助消能工，必须与其它消能工(如宽尾墩，掺气分流墩等消能工)配合使用，由其它消能工先消耗大部分能量，再由阶梯消能工消耗小部分能量。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种全断面阶梯消能工，此种消能工能有效地提高消能率，适合于不同坡度和不同单宽流量的溢洪道或泄洪洞。

本发明所述的全断面阶梯消能工，由设置在溢洪道或泄洪洞底板上的阶梯消能工和设置在溢洪道或泄洪洞两边墙上的阶梯消能工组成，即在溢洪道或泄洪洞的底板和两边墙上均设置有阶梯消能工，其消能机理：水流在通过底板上的阶梯时，发生水流的跌落、回旋、剪切作用，水面上的空气被卷入水体中；边墙的阶梯加剧了水流的紊动，提高了消能效果，并使水流沿程不断收缩和扩大，在侧面形成空腔，气流从空腔中进入底部阶梯面上，使得整个断面的水流充分掺气，避免了空蚀破坏等不利影响。

为了更好地实现发明目的，本发明所述全断面阶梯消能工的有关几何参数如下：

设置在溢洪道或泄洪洞底板上的阶梯消能工的阶梯长度L1是设置在溢洪道或泄洪洞两边墙上的阶梯消能工的阶梯长度L2的1～3倍。设置在溢洪道或泄洪洞两边墙上的阶梯消能工的阶梯底面在溢洪道或泄洪洞底板上的投影宽度Δ₁为0.1～0.5m，阶梯高度h₂大于水的深度、小于溢洪道或泄洪洞边墙的高度H。

设置在溢洪道或泄洪洞两边墙上的阶梯消能工，其阶梯可以有多种形状，本发明优选三棱柱状或三棱锥状或三棱锥台状。若阶梯为三棱柱状，所述三棱柱的底面为水平面，其顶面与溢洪道或泄洪洞的底板平行；若阶梯为三棱锥状，所述三棱锥的底面为水平面；若阶梯为三棱锥台状，所述三棱锥台的底面为水平面，其顶面与溢洪道或泄洪洞的底板平行。

本发明具有以下有益效果：

1、相对于现有阶梯消能工，本发明所述全断面阶梯消能工的消能率大幅度提高，可作为主要的消能工使用在大单宽流量的溢洪道或泄洪洞中并符合消能要求，为大单宽流量的溢洪道或泄洪洞提供了一种新型的消能设施。

2、本发明所述全断面阶梯消能工结构简单，体型优化容易，可广泛使用在不同流量和不同坡度的溢洪道或泄洪洞中。

3、边墙阶梯可有效对不同水深处水流进行掺气，使水流掺气浓度分布均匀，因而可减轻或避免阶梯台阶发生空蚀破坏。

附图说明

图1是本发明所述全断面阶梯消能工的第一种结构示意图，用于溢洪道；

图2是图1的俯视图；

图3是图1的I-I剖面图；

图4是图1中溢洪道两边墙上的阶梯消能工的阶梯形状图；

图5是图1中的全断面阶梯消能工用于泄洪洞的示意图；

图6是图5的II-II剖视图；

图7是图5的I-I剖面图；

图8是本发明所述全断面阶梯消能工的第二种结构示意图，用于溢洪道；

图9是图8的俯视图；

图10是图8的I-I剖面图；

图11是图8中溢洪道两边墙上的阶梯消能工的阶梯形状图；

图12是图8中的全断面阶梯消能工用于泄洪洞的示意图；

图13是图12的II-II剖视图；

图14是图12的I-I剖面图；

图15是本发明所述全断面阶梯消能工的第三种结构示意图，用于溢洪道；

图16是图15的俯视图；

图17是图15的I-I剖面图；

图18是图15中溢洪道两边墙上的阶梯消能工的阶梯形状图；

图19是图15中的全断面阶梯消能工用于泄洪洞的示意图；

图20是图19的II-II剖视图；

图21是图19的I-I剖面图；

图22是本发明所述全断面阶梯消能工的第四种结构示意图，用于溢洪道；

图23是图22的俯视图；

图24是图22中的全断面阶梯消能工用于泄洪洞的示意图；

图25是图24的II-II剖视图；

图26是本发明所述全断面阶梯消能工的第五种结构示意图，用于溢洪道；

图27是图26的俯视图；

图28是图26中的全断面阶梯消能工用于泄洪洞的示意图；

图29是图28的II-II剖视图；

图30是本发明所述全断面阶梯消能工的第六种结构示意图，用于溢洪道；

图31是图30的俯视图；

图32是图30中的全断面阶梯消能工用于泄洪洞的示意图；

图33是图32的II-II剖视图。

图中，1-溢洪道或泄洪洞的边墙、2-溢洪道或泄洪洞的底板、3-设置在底板上的阶梯消能工的阶梯、4-设置在两边墙上的阶梯消能工的阶梯、L₁-设置在底板上的阶梯消能工的阶梯长度、h₁-设置在底板上的阶梯消能工的阶梯高度、B-溢洪道或泄洪洞的宽度、H-溢洪道或泄洪洞的边墙高度、L₂-设置在溢洪道或泄洪洞边墙上的阶梯长度、h₂-设置在溢洪道或泄洪洞边墙上的阶梯高度、Δ₁-设置在溢洪道或泄洪洞边墙上的阶梯底面在溢洪道或泄洪洞底板上的投影宽度、Δ₂-设置在溢洪道或泄洪洞边墙上的阶梯顶面在溢洪道或泄洪洞底板上的投影宽度、θ-溢洪道或泄洪洞的底板坡度。

具体实施方式

实施例1

本实施例中的全断面阶梯消能工用于电站工程枢纽，电站溢洪道最大工作水头140m，最大下泄流量Q＝1000m³/s，最大单宽流量q＝100m³/s.m，溢洪道宽度B＝10m、边墙高度H＝8m，底板坡度θ为15°。

本实施例中的全断面阶梯消能工，其结构如图1、图2、图3所示，由设置在溢洪道底板2上的阶梯消能工和设置在溢洪道两边墙1上的阶梯消能工组成。设置在溢洪道底板2上的阶梯消能工的阶梯为水平阶梯，阶梯的断面为三角形，阶梯长度L₁＝7.5m、阶梯高度h₁＝2m。设置在溢洪道两边墙1上的阶梯消能工的阶梯形状如图4所示，为三棱柱状，所述三棱柱的底面为水平面，其顶面与溢洪道的底板平行，阶梯长度L₂＝7.5m、阶梯高度h₂＝6m、阶梯底面在溢洪道底板上的投影宽度Δ₁＝0.2m。

试验测试表明，本实施例中的全断面消能工的消能率约为80％，能保护阶梯台阶表面，避免发生空蚀破坏。

实施例2

本实施例中的全断面阶梯消能工用于某水电站泄洪洞，泄洪洞最大工作水头150m，最大下泄流量Q＝1500m³/s，最大单宽流量q＝150m³/s.m，泄洪洞宽度B＝10m、边墙高度H＝10m，底板坡度θ为25°。

本实施例中的全断面阶梯消能工，其结构如图5、图6、图7所示，由设置在泄洪洞底板2上的阶梯消能工和设置在泄洪洞两边墙1上的阶梯消能工组成。设置在泄洪洞底板2上的阶梯消能工的阶梯为水平阶梯，阶梯的断面为三角形，阶梯长度L₁＝4.3m、阶梯高度h₁＝2.0m。设置在泄洪洞两边墙1上的阶梯消能工的阶梯形状如图4所示，为三棱柱状，所述三棱柱的底面为水平面，其顶面与泄洪洞的底板平行，阶梯长度L₂＝4.3m、阶梯高度h₂＝8.0m、阶梯底面在泄洪洞底板上的投影宽度Δ₁＝0.15m。

试验测试表明，本实施例中的全断面消能工的消能率约为80％，能保护阶梯台阶表面，避免发生空蚀破坏。

实施例3

本实施例中的全断面阶梯消能工用于电站工程枢纽，电站溢洪道最大工作水头140m，最大下泄流量Q＝1000m³/s，最大单宽流量q＝100m³/s.m，溢洪道宽度B＝10m、边墙高度H＝8m，底板坡度θ为15°。

本实施例中的全断面阶梯消能工，其结构如图8、图9、图10所示，由设置在溢洪道底板2上的阶梯消能工和设置在溢洪道两边墙1上的阶梯消能工组成。设置在溢洪道底板2上的阶梯消能工的阶梯为水平阶梯，阶梯的断面为三角形，阶梯长度L₁＝7.5m、阶梯高度h₁＝2m。设置在溢洪道两边墙1上的阶梯消能工的阶梯形状如图11所示，为三棱锥状，所述三棱锥的底面为水平面，阶梯长度L₂＝7.5m、阶梯高度h₂＝6.0m、阶梯底面在溢洪道底板上的投影宽度Δ₁＝0.2m。

试验测试表明，本实施例中的全断面消能工的消能率约为75％，能保护阶梯台阶表面，避免发生空蚀破坏，同时，可以有效改善水面形态。

实施例4

本实施例中的全断面阶梯消能工用于电站工程枢纽，泄洪洞最大工作水头180m，最大下泄流量Q＝1500m³/s，最大单宽流量q＝150m³/s.m，泄洪洞宽度B＝10m、边墙高度H＝10m，底板坡度θ为25°。

本实施例中的全断面阶梯消能工，其结构如图12、图13、图14所示，由设置在泄洪洞底板2上的阶梯消能工和设置在泄洪洞两边墙1上的阶梯消能工组成。设置在泄洪洞底板2上的阶梯消能工的阶梯为水平阶梯，阶梯的断面为三角形，阶梯长度L₁＝4.3m、阶梯高度h₁＝2.0m。设置在泄洪洞两边墙1上的阶梯消能工的阶梯形状如图11所示，为三棱锥状，所述三棱锥的底面为水平面，阶梯长度L₂＝4.3m、阶梯高度h₂＝8.0m、阶梯底面在泄洪洞底板上的投影宽度Δ₁＝0.15m。

试验测试表明，本实施例中的全断面消能工的消能率约为80％，能保护阶梯台阶表面，避免发生空蚀破坏。

实施例5

本实施例中的全断面阶梯消能工用于电站工程枢纽，电站溢洪道最大工作水头140m，最大下泄流量Q＝1000m³/s，最大单宽流量q＝100m³/s.m，溢洪道宽度B＝10m、边墙高度H＝8m，底板坡度θ为15°。

本实施例中的全断面阶梯消能工，其结构如图15、图16、图17所示，由设置在溢洪道底板2上的阶梯消能工和设置在溢洪道两边墙1上的阶梯消能工组成。设置在溢洪道底板2上的阶梯消能工的阶梯为水平阶梯，阶梯的断面为三角形，阶梯长度L₁＝7.5m、阶梯高度h₁＝2m。设置在溢洪道两边墙1上的阶梯消能工的阶梯形状如图18所示，为三棱锥台状，所述三棱锥台的底面为水平面，其顶面与溢洪道的底板平行，阶梯长度L₂＝7.5m、阶梯高度h₂＝6m、阶梯底面在溢洪道底板上的投影宽度Δ₁＝0.2m、阶梯顶面在溢洪道底板上的投影宽度Δ₂＝0.1m。

试验测试表明，本实施例中的全断面消能工的消能率约为82％，能保护阶梯台阶表面，避免发生空蚀破坏。

实施例6

本实施例中的全断面阶梯消能工用于水利工程枢纽，泄洪洞最大工作水头120m，最大下泄流量Q＝1000m³/s，最大单宽流量q＝100m³/s.m，泄洪洞宽度B＝10m、边墙高度H＝8.0m，底板坡度θ为25°。

本实施例中的全断面阶梯消能工，其结构如图19、图20、图21所示，由设置在泄洪洞底板2上的阶梯消能工和设置在泄洪洞两边墙1上的阶梯消能工组成。设置在泄洪洞底板2上的阶梯消能工的阶梯为水平阶梯，阶梯的断面为三角形，阶梯长度L₁＝4.3m、阶梯高度h₁＝2.0m。设置在泄洪洞两边墙1上的阶梯消能工的阶梯形状如图18所示，为三棱锥台状，所述三棱锥台的底面为水平面，其顶面与泄洪洞的底板平行，阶梯长度L₂＝4.3m、阶梯高度h₂＝8.0m、阶梯底面在泄洪洞底板上的投影宽度Δ₁＝0.2m、阶梯顶面在泄洪洞底板上的投影Δ₂＝0.1m。

试验测试表明，本实施例中的全断面消能工的消能率约为80％，能保护阶梯台阶表面，避免发生空蚀破坏。

实施例7

本实施例中的全断面阶梯消能工用于电站工程枢纽，电站溢洪道最大工作水头140m，最大下泄流量Q＝1000m³/s，最大单宽流量q＝100m³/s.m，溢洪道宽度B＝10m、边墙高度H＝8m，底板坡度θ为15°。

本实施例中的全断面阶梯消能工，其结构如图22、图23所示，图22的I-I剖面如图3所示，溢洪道两边墙1上的阶梯消能工的阶梯形状为三棱柱状，所述三棱柱的底面为水平面，其顶面与溢洪道的底板平行，如图4所示。与实施例1不同之处是：溢洪道底板2上的阶梯消能工的阶梯长度L1是溢洪道两边墙1上的阶梯消能工的阶梯长度L₂的2倍，即L₁＝7.5m、L₂＝3.75m。阶梯的其它几何参数与实施例1相同。

试验测试表明，本实施例中的全断面消能工的消能率约为80％，能保护阶梯台阶表面，避免发生空蚀破坏。

实施例8

本实施例中的全断面阶梯消能工用于水利工程，泄洪洞最大工作水头120m，最大下泄流量Q＝1000m³/s，最大单宽流量q＝100m³/s.m，泄洪洞宽度B＝10m、边墙高度H＝8m，底板坡度θ为15°。

本实施例中的全断面阶梯消能工，其结构如图24、图25所示，图24的I-I剖面如图7所示，泄洪洞两边墙1上的阶梯消能工的阶梯形状为三棱柱状，所述三棱柱的底面为水平面，其顶面与泄洪洞的底板平行，如图4所示。与实施例2不同之处是：泄洪洞底板2上的阶梯消能工的阶梯长度L1是泄洪洞两边墙1上的阶梯消能工的阶梯长度L₂的2倍，即L₁＝4.3m、L₂＝2.15m。阶梯的其它几何参数与实施例2相同。

试验测试表明，本实施例中的全断面消能工的消能率约为75％，能保护阶梯台阶表面，避免发生空蚀破坏。

实施例9

本实施例中的全断面阶梯消能工用于电站工程枢纽，电站溢洪道最大工作水头140m，最大下泄流量Q＝1000m³/s，最大单宽流量q＝100m³/s.m，溢洪道宽度B＝10m、边墙高度H＝8m，底板坡度θ为15°。

本实施例中的全断面阶梯消能工，其结构如图26、图27所示，图26的I-I剖面如图10所示，溢洪道两边墙1上的阶梯消能工的阶梯形状为三棱锥状，所述三棱锥的底面为水平面，如图11所示。与实施例3不同之处是：溢洪道底板2上的阶梯消能工的阶梯长度L1是溢洪道两边墙1上的阶梯消能工的阶梯长度L₂的2倍，即L₁＝7.64m、L₂＝3.82m。阶梯的其它几何参数与实施例3相同。

试验测试表明，本实施例中的全断面消能工的消能率约为80％，能保护阶梯台阶表面，避免发生空蚀破坏。

实施例10

本实施例中的全断面阶梯消能工用于水利工程，泄洪洞最大工作水头120m，最大下泄流量Q＝1000m³/s，最大单宽流量q＝100m³/s.m，泄洪洞宽度B＝10m、边墙高度H＝8.0m，底板坡度θ为25°。

本实施例中的全断面阶梯消能工，其结构如图28、图29所示，图28的I-I剖面如图14所示，泄洪洞两边墙1上的阶梯消能工的阶梯形状为三棱锥状，所述三棱锥的底面为水平面，如图11所示。与实施例4不同之处是：泄洪洞底板2上的阶梯消能工的阶梯长度L1是泄洪洞两边墙1上的阶梯消能工的阶梯长度L₂的2倍，即L₁＝4.3m、L₂＝2.15m。阶梯的其它几何参数与实施例4相同。

试验测试表明，本实施例中的全断面消能工的消能率约为75％，能保护阶梯台阶表面，避免发生空蚀破坏。

实施例11

本实施例中的全断面阶梯消能工用于电站工程枢纽，电站溢洪道最大工作水头140m，最大下泄流量Q＝1000m³/s，最大单宽流量q＝100m³/s.m，溢洪道宽度B＝10m、边墙高度H＝8m，底板坡度θ为15°。

本实施例中的全断面阶梯消能工，其结构如图30、图31所示，图30的I-I剖面如图17所示，溢洪道两边墙1上的阶梯消能工的阶梯形状为三棱锥台状，所述三棱锥台的底面为水平面，其顶面与溢洪道的底板平行，如图18所示；与实施例5不同之处是：溢洪道底板2上的阶梯消能工的阶梯长度L1是溢洪道两边墙1上的阶梯消能工的阶梯长度L₂的2倍，即L₁＝7.64m、L₂＝3.82m。阶梯的其它几何参数与实施例5相同。

试验测试表明，本实施例中的全断面消能工的消能率约为78％，在满足阶梯表面有效掺气的前提下，降低边墙高度，减小工程量，同时，能保护阶梯台阶表面，避免发生空蚀破坏。

实施例12

本实施例中的全断面阶梯消能工用于水利工程，泄洪洞最大工作水头150m，最大下泄流量Q＝1500m³/s，最大单宽流量q＝150m³/s.m，泄洪洞宽度B＝10m、边墙高度H＝10m，底板坡度θ为15°。

本实施例中的全断面阶梯消能工，其结构如图32、图33所示，图32的I-I剖面如图21所示，泄洪洞两边墙1上的阶梯消能工的阶梯形状为三棱锥台状，所述三棱锥台的底面为水平面，其顶面与泄洪洞的底板平行，如图18所示；与实施例6不同之处是：泄洪洞底板2上的阶梯消能工的阶梯长度L1是泄洪洞两边墙1上的阶梯消能工的阶梯长度L₂的2倍，即L₁＝7.64m、L₂＝3.82m。阶梯的其它几何参数与实施例6相同。

试验测试表明，本实施例中的全断面消能工的消能率约为80％，阶梯表面有效掺气，能保护阶梯台阶表面，避免发生空蚀破坏。同时，能够改善水面形态，避免水流直接冲击洞顶。

Claims (9)

1、一种全断面阶梯消能工，包括设置在溢洪道或泄洪洞底板上的阶梯消能工，其特征是还包括设置在溢洪道或泄洪洞两边墙上的阶梯消能工。

2、根据权利要求1所述的全断面阶梯消能工，其特征是设置在溢洪道或泄洪洞底板上的阶梯消能工的阶梯长度L1是设置在溢洪道或泄洪洞两边墙上的阶梯消能工的阶梯长度L2的1～3倍。

3、根据权利要求1或2所述的全断面阶梯消能工，其特征是设置在溢洪道或泄洪洞两边墙上的阶梯消能工的阶梯底面在溢洪道或泄洪洞底板上的投影宽度Δ₁为0.1～0.5m，阶梯高度h₂大于水的深度、小于溢洪道或泄洪洞边墙的高度H。

4、根据权利要求1或2所述的全断面阶梯消能工，其特征是设置在溢洪道或泄洪洞两边墙上的阶梯消能工的阶梯为三棱柱状，所述三棱柱的底面为水平面，其顶面与溢洪道或泄洪洞的底板平行。

5、根据权利要求3所述的全断面阶梯消能工，其特征是设置在溢洪道或泄洪洞两边墙上的阶梯消能工的阶梯为三棱柱状，所述三棱柱的底面为水平面，其顶面与溢洪道或泄洪洞的底板平行。

6、根据权利要求1或2所述的全断面阶梯消能工，其特征是设置在溢洪道或泄洪洞两边墙上的阶梯消能工的阶梯为三棱锥状，所述三棱锥的底面为水平面。

7、根据权利要求3所述的全断面阶梯消能工，其特征是设置在溢洪道或泄洪洞两边墙上的阶梯消能工的阶梯为三棱锥状，所述三棱锥的底面为水平面。

8、据权利要求1或2所述的全断面阶梯消能工，其特征是设置在溢洪道或泄洪洞两边墙上的阶梯消能工的阶梯为三棱锥台状，所述三棱锥台的底面为水平面，其顶面与溢洪道或泄洪洞的底板平行。

9、根据权利要求3所述的全断面阶梯消能工，其特征是设置在溢洪道或泄洪洞两边墙上的阶梯消能工的阶梯为三棱锥台状，所述三棱锥台的底面为水平面，其顶面与溢洪道或泄洪洞的底板平行。

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