CN102720170A

CN102720170A - 异形阶梯消能工

Info

Publication number: CN102720170A
Application number: CN2012101642181A
Authority: CN
Inventors: 张建民; 许唯临; 刘善均; 王韦; 邓军; 曲景学; 田忠; 张法星; 周茂林; 聂境; 余飞; 崔瑞
Original assignee: Sichuan University
Current assignee: Sichuan University
Priority date: 2012-05-24
Filing date: 2012-05-24
Publication date: 2012-10-10
Anticipated expiration: 2032-05-24
Also published as: CN102720170B

Abstract

本发明所述异形阶梯消能工，包括紧接进水口的顺直段、与顺直段相接的异形阶梯段，所述异形阶梯段的各级阶梯为“W”形或“ω”形，异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∶异形阶梯段的长度=1∶1~10。所述异形阶梯段的各级阶梯长度和高度相同，各级阶梯的长度均为0.4~18m，各级阶梯的高度均为0.5~3m。可在顺直段增设前置掺气坎，以提高抗空蚀破坏的能力。

Description

异形阶梯消能工

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”形变为带有尖锐凸角的折线“V”形，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”形阶梯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异形阶梯消能工，以减弱“水翅”现象，增加有效消能阶梯的数量，提高消能率。

本发明所述异形阶梯消能工，包括紧接进水口的顺直段、与顺直段相接的异形阶梯段，所述异形阶梯段的各级阶梯为“W”形或“ω”形，异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∶异形阶梯段的长度=1∶1~10。所述“ω”形阶梯是将“W”形阶梯的竖直边界面圆弧化的产物，因而两种形状属于一个总的发明构思，圆滑的“ω”型阶梯边界相比“W”型阶梯在实际工程中的使用寿命增长。

本发明所述异形阶梯消能工，可在顺直段增设前置掺气坎，以提高抗空蚀破坏的能力。

上述异形阶梯消能工，其异形阶梯段的各级阶梯长度和高度相同，各级阶梯的长度均为0.4~18m，各级阶梯的高度均为0.5~3m。当异形阶梯段的各级阶梯为“W”形时，其两凸角的角度相等且对称于过流面的中轴线，两凸角的角度α=30~150°。当异形阶梯段的各级阶梯为“ω”形时，其两凸弧面的半径相等且对称于过流面的中轴线，两凸弧面的半径R =0.4~18m。

试验表明，上述异形阶梯消能工的异形阶梯段和顺直段的底坡坡度θ=8~65°。

本发明具有以下有益效果：

1、与“V”形台阶（阶梯）相比，本发明所述“W”形或“ω”形阶梯消能工优化了水流流态，将“V”形台阶（阶梯）产生的大水翅变为了小水翅（见图9、图10），因而未被利用的阶梯段明显缩短，增加了有效消能阶梯的个数，提高了消能率。

2、由于水流流态的水翅现象被弱化，因而有利于建筑物的安全运行和施工成本的降低。

3、由于“W”或“ω”形异型阶梯上耗散涡为3D螺旋状（见图11、图12），且边界经几何分形后，耗散涡个数以y=2n的速度增长（其中y为单级阶梯上耗散涡的个数，n为边界分形次数：“W”和“ω”形经2次分形，故n=2），为消能率提高提供重要保证，试验研究表明，相对于“V”形台阶或阶梯（“V”形经1次分形，故n=1），消能率至少提高5%~20%。

4、由于对边界进行了几何分形，边界由直变曲的直接结果拓展了单级阶梯消能空间并增加了阶梯横轴方向的糙率。

5、由于水流流态发生改变，因此阶梯上压强分布呈负压减小趋势，负压区面积的减小使得水流空化数相对于“V”形台阶（阶梯）提高1.5~2.0倍，可减小或避免形成空蚀破坏。

6、由于在顺直段增设了前置掺气坎，进一步提高了防空蚀破坏性能。

7、结构形式简单，施工可操作性强，具有广阔的应用前景。

附图说明

图1是本发明所述异形阶梯消能工的第一种结构示意图，异形阶梯段的各级阶梯为“W”形；

图2是图1的俯视图；

图3是本发明所述异形阶梯消能工的第二种结构示意图，异形阶梯段的各级阶梯为“W”形，顺直段上设置有前置掺气坎；

图4是图3的俯视图；

图5是本发明所述异形阶梯消能工的第三种结构示意图，异形阶梯段的各级阶梯为“ω”形；

图6是图5的俯视图；

图7是本发明所述异形阶梯消能工的第四种结构示意图，异形阶梯段的各级阶梯为“ω”形，顺直段上设置有前置掺气坎；

图8是图7的俯视图；

图9是“V”形台阶（阶梯）溢洪道（消能工）的水流流态示意图；

图10是本发明所述异形阶梯消能工（“W”形或“ω”形）的水流流态示意图；

图11是本发明所述异形阶梯消能工的异形阶梯段的各级阶梯为“W”形的消能机理示意图；

图12是本发明所述异形阶梯消能工的异形阶梯段的各级阶梯为“ω”形的消能机理示意图。

图中，1—顺直段，2—异形阶梯段，3—异形阶梯（3-1：“W”形阶梯、3-2：“ω”形阶梯），4—前置掺气坎，5—边墙，6—中轴线，7—“W”形阶梯的凸角，8—“ω”形阶梯的凸弧，9—2D漩涡，10—3D漩涡，11—大水翅，12—小水翅，θ—异形阶梯段和顺直段的底坡倾角，L_a—单级“W”形阶梯长度，h_a—单级“W”形阶梯高度，α—“W”形阶梯的凸角角度，L_b—单级“ω”形阶梯长度，h_b—单级“ω”形阶梯高度，R—“ω”形阶梯的凸弧半径，B—异形阶梯宽度， i—前置掺气坎坡比，h_c—前置掺气坎高度，L₁—“V”形台阶（阶梯）溢洪道（消能工）中未被利用的阶梯段长度，h₁—“V”形台阶（阶梯）溢洪道（消能工）中第一级阶梯的跌落高度，L₂—本发明所述异形阶梯消能工中未被利用的阶梯段长度，h₂—本发明所述异形阶梯消能工中第一级阶梯的跌落高度。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明所述异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5200km²,厂址控制集水面积为5780 km²。电站溢洪道最大工作水头140m，最大下泄流量990m³/s，设计溢洪道或坝面溢流宽度B=11m，最大单宽流量99m³/s.m。

实施例1

本实施例中，异形阶梯消能工的结构如图1、图2所示，包括紧接进水口的顺直段1，与顺直段相接的异形阶梯段2，所述异形阶梯段2的各级阶梯为“W”形。所述顺直段1桩号间距离17m，所述异形阶梯段2桩号间距离108m，异形阶梯段和顺直段的底坡坡度相同，其底坡倾角θ为18.4°，单宽流量80m³/s.m。各级“W”形阶梯3-1的长度和高度相同，两凸角7对称于过流面的中轴线6，单级“W”形阶梯的长度L_a=9m，高度h_a=3m，两凸角7的角度α=120°。

试验测试表明：与同等体型连续均匀“V”字阶梯相比（下泄单宽流量为80m³/s.m），本实施例中的异形阶梯消能工水流流态基本为贴壁流，“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，未被利用的阶梯段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，异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第1级“W”形阶梯起点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：与同等体型连续均匀“V”字阶梯相比（下泄单宽流量为80m³/s.m），本实施例中中的异形阶梯消能工水流流态基本为贴壁流，“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，未被利用的阶梯段水舌上缘高度下降约55%，消能率提高10%，约为85%，负压区面积减小30%，对抗空蚀破坏更有利。

实施例3

本实施例中，异形阶梯消能工的结构如图1、图2所示，包括紧接进水口的顺直段1，与顺直段相接的异形阶梯段2，所述异形阶梯段2的各级阶梯为“W”形。所述顺直段1桩号间距离12m，所述异形阶梯段2桩号间距离36m，异形阶梯段和顺直段的底坡坡度相同，其底坡的倾角θ为45°，单宽流量80m³/s.m。各级“W”形阶梯3-1的长度和高度相同，两凸角7对称于过流面的中轴线6，单级“W”形阶梯的长度L_a=2.5m，高度h_a=2.5m，两凸角7的角度α=60°。

试验测试表明：与同等体型连续均匀“V”字阶梯相比（下泄单宽流量为80m³/s.m），本实施例中的异形阶梯消能工水流流态基本为贴壁流，“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，未被利用的阶梯段水舌上缘高度下降约40%，消能率提高5%，约为80%。

实施例4

本实施例中，异形阶梯消能工的结构如图5、图6所示，包括紧接进水口的顺直段1，与顺直段相接的异形阶梯段2，所述异形阶梯段2的各级阶梯为“ω”形。所述顺直段1桩号间距离17m，所述异形阶梯段2桩号间距离108m，异形阶梯段和顺直段的底坡坡度相同，其底坡的倾角θ为18.4°，单宽流量90m³/s.m。各级“ω”形阶梯3-2的长度和高度相同，两凸弧面8对称于过流面的中轴线6，单级“ω”形阶梯的长度L_b=9m，高度h_b=3m，两凸弧面8的半径R=9m。

试验测试表明：与同等体型连续均匀“V”字阶梯相比（下泄单宽流量为90m³/s.m），本实施例中的异形阶梯消能工水流流态基本为贴壁流，“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，未被利用的阶梯段水舌上缘高度下降约55%，消能率提高6%，约为80%,。

实施例5

本实施例中，异形阶梯消能工的结构如图7、图8所示。与实施例4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第1级“ω”形阶梯起点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：与同等体型连续均匀“V”字阶梯相比（下泄单宽流量为90m³/s.m），本实施例中的异形阶梯消能工水流流态基本为贴壁流，“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，未被利用的阶梯段水舌上缘高度下降约60%，消能率提高10%约为85%，负压区面积减小30%，对抗空蚀破坏更有利。

实施例6

本实施例中，异形阶梯消能工的结构如图5、图6所示，包括紧接进水口的顺直段1，与顺直段相接的异形阶梯段2，所述异形阶梯段2的各级阶梯为“ω”形。所述顺直段1桩号间距离12m，所述异形阶梯段2桩号间距离36m，异形阶梯段和顺直段的底坡坡度相同，其底坡的倾角θ为45°。各级“ω”形阶梯3-2的长度和高度相同，两凸弧面8对称于过流面的中轴线6，单级“ω”形阶梯的长度L_b =3m，高度h_b =3m，两凸弧面8的半径R=3m。

试验测试表明：与同等体型连续均匀“V”字阶梯相比（下泄单宽流量为90m³/s.m），本实施例中的异形阶梯消能工水流流态基本为贴壁流，“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，未被利用的阶梯段水舌上缘高度下降约50%，消能率提高5%，约为78%。

Claims

1.一种异形阶梯消能工，包括紧接进水口的顺直段（1），其特征在于还包括与顺直段相接的异形阶梯段（2），所述异形阶梯段（2）的各级阶梯为“W”形或“ω”形，异形阶梯段（2）的底坡坡度与顺直段（1）的底坡坡度相同，顺直段的长度∶异形阶梯段的长度=1∶1~10。

2.根据权利要求1所述异形阶梯消能工，其特征在于所述异形阶梯段的各级阶梯（3）长度和高度相同，各级阶梯的长度均为0.4~18m，各级阶梯的高度均为0.5~3m。

3.根据权利要求2所述异形阶梯消能工，其特征在于当异形阶梯段的各级阶梯（3）为“W”形时，其两凸角（7）的角度相等且对称于过流面的中轴线（6），两凸角的角度α=30~ 150°。

4.根据权利要求2所述异形阶梯消能工，其特征在于当异形阶梯段的各级阶梯（3）为“ω”形时，其两凸弧面（8）的半径相等且对称于过流面的中轴线（6），两凸弧面的半径R =0.4~18m。

5.根据权利要求1至4中任一权利要求所述异形阶梯消能工，其特征在于异形阶梯段（2）和顺直段（1）的底坡倾角θ=8~65°。

6.根据权利要求1至4中任一权利要求所述异形阶梯消能工，其特征在于所述顺直段（1）上设置有前置掺气坎（4）。

7.根据权利要求5所述异形阶梯消能工，其特征在于所述顺直段（1）上设置有前置掺气坎（4）。