CN102704447B - 带有过渡段的“v”形阶梯消能工 - Google Patents

Abstract

带有过渡段的“V”形阶梯消能工，包括紧接进水口的顺直段、主 “V”形阶梯段、过渡“V”形阶梯段，所述过渡“V”形阶梯段的一端接顺直段，其另一端接主 “V”形阶梯段，过渡“V”形阶梯段和主“V”形阶梯段的底坡坡度与顺直段的底坡坡度相同，顺直段的长度∶过渡“V”形阶梯段的长度∶主“V”形阶梯段的长度=1∶0.5~3∶1~10；所述过渡“V”形阶梯段由几何尺寸渐变的m个“V”形阶梯组构成，各“V”形阶梯组由2～5级几何尺寸相同的“V”形阶梯构成，所述m为：3≤m≤10的整数，所述几何尺寸为：单级阶梯长度L_m、单级阶梯高度h_m、阶梯“V”形凸角β_m；所述主“V”形阶梯段的各级阶梯长度、各级阶梯高度、各级阶梯“V”形凸角相等。

Description

带有过渡段的“V”形阶梯消能工

技术领域

本发明属于内流泄洪消能设施，特别涉及一种用于溢洪道（洞）或坝面溢流的阶梯消能工。

背景技术

田忠等在四川大学学报（工程科学版）公开了一种“V”形台阶溢洪道（见第42卷第2期，P21-25，2010年3月），由均匀连续“V”形阶梯构成。经数值模拟以及物理模型验证，其水流结构以及消能效果较传统均匀连续“一”形阶梯确实发生较大变化，如：传统均匀连续“一”形阶梯漩涡结构呈现2元平面特征，而均匀连续“V”形阶梯漩涡结构呈现3元流特征，同等体型条件下，均匀连续“V”形阶梯的消能率高于传统均匀连续“一”形阶梯。均匀连续“V”形阶梯虽然能提高消能率，改善水流结构，但却存在以下不足：1、由于阶梯边界由原来的直线“一”字变为带有尖锐凸角的折线“V”字型，因此在前几级阶梯上极易产生“水翅”现象，所谓“水翅”现象是指水流下泄形成的水舌由于速度较大，水流边壁形状突然改变，在第1级阶梯面上水舌冲击力大于水舌重力，受到阶梯面的反作用力，射流方向改变，水舌被抛射并越过数级阶梯的现象。2、“水翅”现象的发生会使水流翻越溢洪道边墙冲刷岸坡或相邻建筑物基础，从而影响建筑物的安全运行。3、若不设法减弱或消除“水翅”现象，势必增加溢洪道边墙设计高度，提高工程造价。4、由于水舌被抛射并越过数级阶梯，部分阶梯被空置，减少了有效消能阶梯数目，降低消能率。5、当水舌跃离数级阶梯经抛射直接作用于某级阶梯，会增加该级阶梯负荷，影响该级阶梯稳定性。总之，伴随“水翅”现象的潜在问题使得均匀连续“V”字阶梯消能工在实际工程中的实用性大大降低。

发明内容

本发明的目的是提供一种带有过渡段的“V”形阶梯消能工，以减弱“水翅”现象，增加有效消能阶梯的数量，提高实用性。

本发明所述带有过渡段的“V”形阶梯消能工，包括紧接进水口的顺直段、主 “V”形阶梯段和过渡“V”形阶梯段，所述过渡“V”形阶梯段的一端接顺直段，其另一端接主 “V”形阶梯段，过渡“V”形阶梯段和主“V”形阶梯段的底坡坡度与顺直段的底坡坡度相同，顺直段的长度：过渡“V”形阶梯段的长度：主“V”形阶梯段的长度=1∶0.5~3)∶1~10；所述过渡“V”形阶梯段由几何尺寸渐变的m个“V”形阶梯组构成，各“V”形阶梯组由2～5级几何尺寸相同的“V”形阶梯构成，所述m为：3≤m≤10的整数，所述几何尺寸为：单级阶梯长度L_m、单级阶梯高度h_m、阶梯“V”形凸角β_m；所述主“V”形阶梯段的各级阶梯长度、各级阶梯高度、各级阶梯“V”形凸角相等。

本发明所述带有过渡段的“V”形阶梯消能工，可在顺直段增设前置掺气坎，以进一步提高抗空蚀破坏能力。

上述带有过渡段的“V”形阶梯消能工，其过渡“V”形阶梯段中，m个“V”形阶梯组的单级阶梯长度L_m沿水流方向逐渐从短变长、单级阶梯高度h_m沿水流方向逐渐从小变大、凸角β_m沿水流方向逐渐从大变小，0.05米≤L_m＜L，0.1 米≤h_m＜H，α＜β_m＜180°，所述L为主“V”形阶梯段的单级阶梯长度，所述H为主“V”形阶梯段的单级阶梯高度，所述α为主“V”形阶梯段中阶梯的“V”形凸角。

上述带有过渡段的“V” 形阶梯消能工，其特征在于主“V” 形阶梯段中，各级阶梯的长度L=2.5~35m，各级阶梯的高度H=0.5~5m，各级阶梯的“V” 形凸角α=30~150°。

实验表明，上述述带有过渡段的“V” 形阶梯消能工的顺直段、过渡“V”形阶梯段和主“V”形阶梯段的底坡倾角θ=8~65°。

本发明具有以下有益效果：

1、由于本发明所述带有过渡段的“V”形阶梯消能工设有过渡“V”形阶梯段，且过渡“V”形阶梯段由几何尺寸渐变的m个“V”形阶梯组构成，沿水流方向，过渡“V”形阶梯段阶梯尺寸增至接近主“V”形阶梯段的阶梯尺寸，因而为水流适应边壁糙率的变化提供了时间与空间，有效的减弱或避免了“水翅”现象的发生（见图6）。

2、由于本发明所述带有过渡段的“V”形阶梯消能工的顺直段与主“V”形阶梯段之间设有过渡“V”形阶梯段，因而经过顺直段的水流进入过渡“V”形阶梯段后贴壁流动，与现有“V”形阶梯消能工相比，增大了有效消能阶梯段的长度（见图5、图6）。

3、由于本发明所述带有过渡段的“V”形阶梯消能工的顺直段与主“V”形阶梯段之间设有过渡“V”形阶梯段，因而水流跃离现象明显削减，与现有“V”形阶梯消能工相比，不会发生边墙漫溢，提高了水工建筑物的安全性（见图5、图6）。

4、由于顺直段可增设前置掺气坎，前置掺气坎能有效保护阶梯首部易发生空蚀破坏的阶梯，因此拓展其适用范围。

附图说明

图1是本发明所述带有过渡段的“V”形阶梯消能工的第一种结构示意图；

图2是图1的俯视图；

图3是本发明所述带有过渡段的“V”形阶梯消能工的第二种结构示意图，顺直段上设置有前置掺气坎；

图4是图3的俯视图；

图5是现有技术中的“V”形台阶（阶梯）溢洪道（消能工）的水流流态示意图；

图6是本发明所述带有过渡段的“V”形阶梯消能工的水流流态示意图；

图中，1—顺直段，2—过渡“V”形阶梯段，3—主 “V”形阶梯段，4—前置掺气坎，5—边墙，6—中轴线，7—第1个“V”形阶梯组，8—第m－1个“V”形阶梯组，9—第m个“V”形阶梯组，10—3D漩涡，θ—顺直段、过渡“V”形阶梯段和主“V”形阶梯段的底坡倾角，L—主“V”形阶梯段的单级阶梯长度、H—主 “V”形阶梯段的单级阶梯高度、α—主 “V”形阶梯段的“V” 形凸角、L_m—过渡“V”形阶梯段的单级阶梯长度、h_m—过渡“V”形阶梯段的单级阶梯高度、α_m—过渡“V”形阶梯段的“V” 形凸角、B—阶梯宽度、i—前置掺气坎坡比，h_c—前置掺气坎高度，L_a—现有技术中的“V”形台阶（阶梯）溢洪道（消能工）未被利用的阶梯段长度，L_b—本发明中过渡“V”形阶梯段未被利用的阶梯段长度。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明所述带有过渡段的“V”形阶梯消能工作进一步说明。下述各实施例根据某水电站枢纽工程设计，所述电站集水面积为4900km², 厂址控制集水面积为5540 km²。电站溢洪道最大工作水头150m，最大下泄流量1230m³/s，设计溢洪道或坝面溢流宽度B＝10m，最大单宽流量123m³/s.m。

实施例1

本实施例中，带有过渡段的“V”形阶梯消能工的结构如图1、图2所示，由紧接进水口的顺直段1、与顺直段相接的过渡“V”形阶梯段2、与过渡“V”形阶梯段相接的主 “V”形阶梯段3组成；所述顺直段1桩号间距离17m，所述过渡“V”形阶梯段2桩号间距离18m，所述主 “V”形阶梯段3桩号间距离90m，顺直段、过渡“V”形阶梯段和主“V”形阶梯段的底坡坡度相同，其底坡倾角θ为18.4°，单宽流量75m³/s.m。

所述主“V”形阶梯段的各级阶梯长度、各级阶梯高度、各级阶梯“V”形凸角相等，各级阶梯的长度L=9m，各级阶梯的高度H=3m，各级阶梯的“V” 形凸角α=60°。

所述过渡“V”形阶梯段2由6个“V”形阶梯组构成，第1个“V”形阶梯组由5级几何尺寸相同的“V”形阶梯构成，第2个“V”形阶梯组由2级几何尺寸相同的“V”形阶梯构成，第3个“V”形阶梯组由2级几何尺寸相同的“V”形阶梯构成，第4个“V”形阶梯组由2级几何尺寸相同的“V”形阶梯构成，第5个“V”形阶梯组由2级几何尺寸相同的“V”形阶梯构成，第6个“V”形阶梯组由2级几何尺寸相同的“V”形阶梯构成；第1个“V”形阶梯组中，各级阶梯的长度L₁=0.6m，各级阶梯的高度h₁=0.2m，各级阶梯的“V” 形凸角α₁=175°；第2个“V”形阶梯组中，各级阶梯的长度L₂=0.9m，各级阶梯的高度h₂=0.3m，各级阶梯的“V” 形凸角α₂=155°；第3个“V”形阶梯组中，各级阶梯的长度L₃=1.2m，各级阶梯的高度h₃=0.4m，各级阶梯的“V” 形凸角α₃=135°；第4个“V”形阶梯组中，各级阶梯的长度L₄=1.5m，各级阶梯的高度h₄=0.5m，各级阶梯的“V” 形凸角α₄=115°；第5个“V”形阶梯组中，各级阶梯的长度L₅=1.8m，各级阶梯的高度h₅=0.6m，各级阶梯的“V”形凸角α₅=95°；第6个“V”形阶梯组中，各级阶梯的长度L₆=2.1m，各级阶梯的高度h₆=0.7m，各级阶梯的“V” 形凸角α₆=75°。

试验测试表明：本实施例中水流流态基本为贴壁流，与同等体型的现有技术中的“V”形阶梯消能工相比（下泄单宽流量为75m³/s.m），本实施例中的带有过渡段的“V”形阶梯消能工“水翅”现象明显弱化，基本没有被空置阶梯存在；整体流态稳定，过渡“V”形阶梯段的水舌上缘高度下降约50%，消能率提高7%，约为82%。

实施例2

本实施例中，带有过渡段的“V”形阶梯消能工的结构如图3、图4所示。与实施例1不同之处是在顺直段1上设置有前置掺气坎4。所述置掺气坎设置在距离过渡“V”形阶梯段2的第1级阶梯起点7m处，其坡比为i=1:3，其侧面垂直于顺直段，高度h_c =0.5m。

试验测试表明：本实施例中水流流态基本为贴壁流，与同等体型的现有技术中的“V”形阶梯消能工相比（下泄单宽流量为75m³/s.m），“水翅”现象明显弱化；基本没有被空置阶梯存在；整体流态稳定，过渡“V”形阶梯段的水舌上缘高度下降约55%，消能率提高10%约为85%，前3~5级阶梯最低负压值减小30%，对抗空蚀破坏更有利。

实施例3

本实施例中，带有过渡段的“V”形阶梯消能工的结构如图1、图2所示，由紧接进水口的顺直段1、与顺直段相接的过渡“V”形阶梯段2、与过渡“V”形阶梯段相接的主 “V”形阶梯段3组成；所述顺直段1桩号间距离5.4m，所述过渡“V”形阶梯段2桩号间距离6m，所述主 “V”形阶梯段3桩号间距离30m，顺直段、过渡“V”形阶梯段和主“V”形阶梯段的底坡坡度相同，其底坡倾角θ为45°，单宽流量75m³/s.m。

所述主“V”形阶梯段的各级阶梯长度、各级阶梯高度、各级阶梯“V”形凸角相等，各级阶梯的长度L=3m，各级阶梯的高度H=3m，各级阶梯的“V” 形凸角α=120°。

所述过渡“V”形阶梯段2由3个“V”形阶梯组构成，第1个“V”形阶梯组由4级几何尺寸相同的“V”形阶梯构成，第2个“V”形阶梯组由2级几何尺寸相同的“V”形阶梯构成，第3个“V”形阶梯组由2级几何尺寸相同的“V”形阶梯构成；第1个“V”形阶梯组中， 各级阶梯的长度L₁=0.5m， 各级阶梯的高度h₁=0.5m， 各级阶梯的“V” 形凸角α₁=175°；第2个“V”形阶梯组中，各级阶梯的长度L₂=0.8m，各级阶梯的高度h₂=0.8m，各级阶梯的“V” 形凸角α₂=155°；第3个“V”形阶梯组中，各级阶梯的长度L₃=1.2m，各级阶梯的高度h₃=1.2m，各级阶梯的“V” 形凸角α₃=135°。

试验测试表明：本实施例中水流流态基本为贴壁流，与同等体型的现有技术中的“V”形阶梯消能工相比（下泄单宽流量为75m³/s.m），本实施例中的带有过渡段的“V”形阶梯消能工“水翅”现象明显弱化，基本没有被空置阶梯存在；整体流态稳定，过渡“V”形阶梯段的水舌上缘高度下降约45%，消能率提高6%，约为80%。

Claims (5)

1.一种带有过渡段的“V”形阶梯消能工，包括紧接进水口的顺直段（1）、主“V”形阶梯段（3），其特征在于还包括过渡“V”形阶梯段（2），所述过渡“V”形阶梯段（2）的一端接顺直段（1），其另一端接主“V”形阶梯段（3），过渡“V”形阶梯段（2）和主“V”形阶梯段（3）的底坡坡度与顺直段（1）的底坡坡度相同，顺直段的长度∶过渡“V”形阶梯段的长度∶主“V”形阶梯段的长度=1∶0.5～3∶1～10；

所述过渡“V”形阶梯段（2）由几何尺寸渐变的m个“V”形阶梯组构成，各“V”形阶梯组由2～5级几何尺寸相同的“V”形阶梯构成，所述m为：3≤m≤10的整数，所述几何尺寸为：单级阶梯长度L_m、单级阶梯高度h_m、阶梯“V”形凸角β_m；

所述过渡“V”形阶梯段（2）中，m个“V”形阶梯组的单级阶梯长度L_m沿水流方向逐渐从短变长、单级阶梯高度h_m沿水流方向逐渐从小变大、凸角β_m沿水流方向逐渐从大变小，0.05米≤L_m＜L，0.1米≤h_m＜H，α＜β_m＜180°，所述L为主“V”形阶梯段（3）的单级阶梯长度，所述H为主“V”形阶梯段（3）的单级阶梯高度，所述α为主“V”形阶梯段（3）中阶梯的“V”形凸角；

所述主“V”形阶梯段（3）的各级阶梯长度、各级阶梯高度、各级阶梯“V”形凸角相等。

2.根据权利要求1所述带有过渡段的“V”形阶梯消能工，其特征在于主“V”形阶梯段（3）中，各级阶梯的长度L=2.5～35m，各级阶梯的高度H=0.5～5m，各级阶梯的“V”形凸角α=30～150°。

3.根据权利要求1或2所述带有过渡段的“V”形阶梯消能工，其特征在于顺直段（1）、过渡“V”形阶梯段（2）和主“V”形阶梯段（3）的底坡倾角θ=8～65°。

4.根据权利要求1或2所述带有过渡段的“V”形阶梯消能工，其特征在于所述顺直段（1）上设置有前置掺气坎（4）。

5.根据权利要求3所述带有过渡段的“V”形阶梯消能工，其特征在于所述顺直段（1）上设置有前置掺气坎（4）。