CN105951688A - 一种复式连续阶梯溢洪道 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的复式连续阶梯溢洪道是由溢洪道侧墙1和溢洪道底板构成，溢洪道底板分为进口段2和阶梯段3，所述进口段2是由水平段与一个高程低于水平段，且从水平正投影看顶角朝向溢洪道上游的倒置等腰三角形台阶相接而成，其底边与溢洪道宽度相等，所述阶梯段3由至少2级结构相同的复式阶梯自上而下连续相接构成，该复式阶梯为一级4阶，具体由6个三角形依次按从高到低分4个台阶排布而成。本发明提供的复式连续阶梯溢洪道，可以扩大溢洪道对流泄流流量的适应范围，提高水流沿程的消能效果，从而避免溢洪道泄洪对下游河道造成冲刷破坏，保障水利工程泄洪安全运行。

Description

一种复式连续阶梯溢洪道
技术领域
本发明属于水利水电工程中溢洪道泄洪消能技术领域，具体涉及一种复式连续阶梯溢洪道。
背景技术
作为水利水电工程中所设置的溢洪道，除应满足泄洪能力以外，还应保证在运行期间泄洪建筑物的安全，与原河道水流良好衔接以及能充分发挥应有的消能效果，以避免下泄水流对下游河床和岸坡造成冲刷破坏。阶梯溢洪道是将光滑溢流面设计为台阶状，一方面可增加过水壁面的粗糙程度，另一方面因形成的跌坎可对水流进行大量的掺气，以使水流下泄过程中沿程能力损失增大，减小下游消能压力，同时还对溢洪道壁面进行掺气减蚀保护，减免空蚀破坏，保证泄水建筑物的安全运行。目前阶梯溢洪道已被广泛应用于水利水电工程中。但现有阶梯溢洪道的阶梯设计主要为一级一台阶、同一台阶各处同高程的形式，阶梯跌坎局部具体形式有“一”字形、“V”形、外凸型等。这些设计形式仅是考虑从阶梯局部的变化来增加水流能量损耗，但当溢洪道工作水头较高，单宽流量较大时(如单宽流量超过50m3/s)，现有阶梯溢洪道在沿程水头损失和消能率方面均很难满足泄洪消能的要求，并且阶梯入口处至下游一定范围内无法获得掺气减蚀保护效果，从而导致对下游河道造成冲刷破坏及沿程壁面的空蚀破坏。为解决上述问题一般采取的技术措施是增加泄洪建筑物数量，从而减小阶梯溢洪道的泄洪流量，但这样不仅会受到所建水利水电工程的地形地质条件限制，而且还会增加工程量，增加投资。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种复式连续阶梯溢洪道，以扩大溢洪道对流泄流流量的适应范围，提高水流沿程的消能效果，从而避免溢洪道泄洪对下游河道造成冲刷破坏，保障水利工程泄洪安全运行。
本发明提供的复式连续阶梯溢洪道是由溢洪道侧墙和溢洪道底板构成，溢洪道底板分为进口段和阶梯段，所述进口段是由水平段与一个高程低于水平段，且从水平正投影看顶角朝向溢洪道上游的倒置等腰三角形台阶相接而成，其底边与溢洪道宽度相等，所述阶梯段由至少2级结构相同的复式阶梯自上而下连续相接构成，该复式阶梯为一级4阶，具体由6个三角形依次按从高到低分4个台阶排布而成，从水平正投影看，第一台阶为一等腰三角形，底边与溢洪道宽度相等，顶角朝向溢洪道下游，计为1区；第二台阶为2个直角三角形，分别位于第一台阶等腰三角形的两边，其斜边与第一台阶三角形的腰等长，记为2区和3区；第三台阶也为2个直角三角形，分别位于第四台阶等腰三角形的两边，其斜边与第四台阶三角形的腰等长，记为4区和5区；第四台阶也为一等腰三角形，底边与溢洪道等宽，顶角朝向溢洪道上游，记为6区；各区台阶相对于各自底板的高程分别计为HX-1、HX-2、HX-3、HX-4、HX-5、HX-6，且HX-1>HX-2＝HX-3>HX-4＝HX-5>HX-6，X为≥1的正整数。
以上溢洪道的进口段中所述倒置等腰三角形台阶的顶角为45～60°。
以上溢洪道的阶梯段中所述每个台阶相对于各自底板的高程HX-1～6为2～5m，且各级各区台阶的高程HX-1～6相同。
由于本发明提供的复式连续阶梯溢洪道以倒三角形阶梯作为第一级阶梯，使水流在溢洪道内向前流动的过程中在水流横断面上出现压差。在该压差作用下，水流会出现横向“汇聚”的流动，自由面出现中间低两边高的分布形式。这种水面变形的流动会伴随卷吸空气进入水体，使水流掺气的发生相对于目前已有的阶梯形式更为提前，有利于对阶梯靠近上游的区域进行掺气减蚀保护。
当水流流量较小时，水流速度较低，脱离底板约束后抛射距离较短，经过进口段的倒三角形阶梯时，在横向压差的“汇聚”作用下水流向内汇聚至溢洪道中部，边墙附近的水流受纵向抛射作用较小，同样向中部汇集，随后进入第I级阶梯的1区台阶面及同一高程的2区和3区的台阶面，发生跌落冲击，开始紊动消能及水流掺气，如图4、6所示；当水流流量较大时，水流进入溢洪道的速度相应增大，在横向方向上水流脱离底部边墙约束的抛射距离较长，从中心水流至边墙水流纵向抛射距离相对逐渐增大，由于每一级复式阶梯中存在不同高程的台阶，水流可依次跌落进入第一级阶梯中不同高程的台阶，如图5、6所示。对于大流量条件下消能的要求，使水流在起始位置(溢洪道进口段)就与阶梯发生强烈碰撞，提早增强水流的紊动及掺气效果，因此提高了阶梯溢洪道对于大流量泄洪消能的自适应性。
由于本发明提供的复式连续阶梯溢洪道各级阶梯采用沿上游至下游分布为交替连续的不同三角形台阶形式设计，使得水流在流动过程中随结构连续的变化，会形成中间和两侧共三股不同的主流。中间股水流主要沿溢洪道纵向轴线方向运动，跌落高度大，与底板的冲击作用更为明显，水流在流动过程中流线变形更为剧烈；两侧的水股由于受到多阶连续三角形台阶结构的导向使水流流线方向不断变化，并在下泄过程中产生左右横向方向运动，增加了水流沿程水头损失。同时，中间水股与两侧水股由于流向方向不一致，彼此之间在流动过程中存在明显的剪切作用，如图3所示。因此，本发明所述复式连续阶梯溢洪道在泄洪过程中水流内部消能效果显著提高，特别是对于高水头大单宽流量条件下的水流，相对于目前已有的阶梯溢洪道设计形式，其适用性更加突出，且以简单的结构设计形式满足了高水头大单宽流量泄洪消能和安全运行的要求。
本发明提供的复式连续阶梯溢洪道实现了“一级多阶”，每一级不同相邻台阶的竖直面和水平面之间均会产生旋滚，又由于在每一级阶梯中流线会发生不同方向的运动，同时由于中间水股和两侧水股在相邻跌落高度上存在差异，所形成的旋滚在大小上存在差异，中间水股跌落形成的旋滚较两侧形成的旋滚大，因此所形成的旋滚在空间上实现了三维全分布，这样会产生以下三个方面的有益效果：1)可增强水体内部的紊动剪切作用，提高消能效果；2)与目前已有阶梯溢洪道中阶梯之间的旋滚会对主流产生滑移的不利影响相比，本发明中由于每一级中旋滚在大小和空间分布高程均不一致，使主流与旋滚之间不再产生连续的滑移层，空间分布的旋滚与上层主流的剪切作用更为明显，因此可以保证在高水头大单宽流量条件下溢洪道的消能效果，保持水流与下游水流平稳衔接；3)可通过增强水体的紊动提高水流掺气效果，增强气泡在水体中的扩散，避免泄洪过程中溢洪道壁面发生空蚀破坏。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、由于本发明提供的复式阶梯溢洪道进口段采用水平段加倒置三角形阶梯设计，利用水流自然的横向压力差进入阶梯段，使水流在横向压差的作用下实现了在阶梯溢洪道入口处掺气更快并发展到阶梯壁面，因而对于小流量和大流量条件下均可利用阶梯进口段自身的结构形式，不仅可保证水流在第一级阶梯位置均发生明显的紊动和掺气，且还具有良好的自适应性，最大限度将消能和掺气减蚀位置提前，有利于避免泄洪过程中阶梯前部的空蚀破坏，保证了溢洪道泄洪的安全运行。
2、由于本发明提供的复式阶梯设计形式可使水流在横向和纵向两个方向上充分分流，并形成了“一级多阶”，因而可在保证水流流态良好的条件下，增加水流运动距离，提高水流沿程水头损失，同时相邻两股水流流线方向不一致，彼此之间必然存在速度差，故还可以增强相邻两股水流的剪切作用，在水体内部进一步提高消能效果。
3、由于本发明提供了复式阶梯形式可使阶梯溢洪道特有的凹角旋滚在空间上分布更为广泛，一方面有利于掺入水中的空气在水体中的扩散，并更为稳定的保持在溢洪道壁面附近，避免溢洪道发生空蚀破坏，保证泄洪的安全运行，另一方面有利于水体内部的消能效果，提供持续稳定的旋滚消能，并结合水流流线间的剪切作用，进一步提升泄洪消能效果。
4、由于本发明提供的复式阶梯溢洪道结构简单，施工容易，工程量小，成本低，适应面广，实用性强。
附图说明
图1为本发明提供的复式连续阶梯溢洪道的结构示意图；
图2为本发明提供的复式连续阶梯溢洪道的俯视(平面)图；
图3为本发明提供的复式连续阶梯溢洪道的水流流态图；
图4为本发明所述复式连续阶梯溢洪道的小流量水流流态图；
图5为本发明所述复式连续阶梯溢洪道的大流量水流流态图；
图6为本发明所述复式连续阶梯溢洪道的进口水流抛射流态图。
图中，1—溢洪道侧墙，2—进口段，3—阶梯段。
具体实施方式
下面通过附图和实施例对本发明进行具体描述，有必要在此指出的是以下实施例只用于对本发明作进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术熟练人员根据上述本发明内容对本发明做出一些非本质的改进和调整，仍属于本发明保护范围。
实施例1
本实施例给出的复式连续阶梯溢洪道，其结构如图1、2所示，该溢洪道是由溢洪道侧墙1和溢洪道底板构成，溢洪道底板分为进口段2和阶梯段3，所述进口段2是由水平段与一个高程低于水平段，且从水平正投影看顶角朝向溢洪道上游的倒置等腰三角形台阶相接而成，倒置等腰三角形台阶的顶角为45°。其底边与溢洪道宽度相等，所述阶梯段由5级结构相同的复式阶梯自上而下连续相接构成，每一级复式阶梯又为4阶，具体由6个三角形依次按从高到低分4个台阶排布而成，从水平正投影看，第一台阶为一等腰三角形，底边与溢洪道宽度相等，顶角朝向溢洪道下游，计为1区；第二台阶为2个直角三角形，分别位于第一台阶等腰三角形的两边，其斜边与第一台阶三角形的腰等长，记为2区和3区；第三台阶也为2个直角三角形，分别位于第四台阶等腰三角形的两边，其斜边与第四台阶三角形的腰等长，记为4区和5区；第四台阶也为一等腰三角形，底边与溢洪道等宽，顶角朝向溢洪道上游，记为6区；各区台阶相对于各自底板的高程分别计为HX-1、HX-2、HX-3、HX-4、HX-5、HX-6，且HX-1>HX-2＝HX-3>HX-4＝HX-5>HX-6，X＝5。每个台阶相对于各自底板的高程HX-1～6为2m，且各级各区台阶的高程HX-1～6相同。
实施例2
本实施例给出的复式连续阶梯溢洪道，其结构也如图1、2所示，但与实施例1所述复式连续阶梯溢洪道的不同之处在于：进口段的倒置等腰三角形台阶的顶角为60°；所述阶梯段是由3级结构相同的复式阶梯自上而下连续相接构成；每个台阶相对于各自底板的高程HX-1～6为3m。
实施例3
本实施例给出的复式连续阶梯溢洪道，其结构也如图1、2所示，但与实施例1所述复式连续阶梯溢洪道的不同之处在于：进口段的倒置等腰三角形台阶的顶角为50°；所述阶梯段是由2级结构相同的复式阶梯自上而下连续相接构成；每个台阶相对于各自底板的高程HX-1～6为5m。

Claims (3)

1.一种复式连续阶梯溢洪道，该溢洪道是由溢洪道侧墙(1)和溢洪道底板构成，溢洪道底板分为进口段(2)和阶梯段(3)，其特征在于所述进口段(2)是由水平段与一个高程低于水平段，且从水平正投影看顶角朝向溢洪道上游的倒置等腰三角形台阶相接而成，其底边与溢洪道宽度相等，所述阶梯段(3)由至少2级结构相同的复式阶梯自上而下连续相接构成，该复式阶梯为一级4阶，具体由6个三角形依次按从高到低分4个台阶排布而成，从水平正投影看，第一台阶为一等腰三角形，底边与溢洪道宽度相等，顶角朝向溢洪道下游，计为1区；第二台阶为2个直角三角形，分别位于第一台阶等腰三角形的两边，其斜边与第一台阶三角形的腰等长，记为2区和3区；第三台阶也为2个直角三角形，分别位于第四台阶等腰三角形的两边，其斜边与第四台阶三角形的腰等长，记为4区和5区；第四台阶也为一等腰三角形，底边与溢洪道等宽，顶角朝向溢洪道上游，记为6区；各区台阶相对于各自底板的高程分别计为HX-1、HX-2、HX-3、HX-4、HX-5、HX-6，且HX-1>HX-2＝HX-3>HX-4＝HX-5>HX-6，X为≥1的正整数。
2.根据权利要求1所述的复式连续阶梯溢洪道，其特征在于该溢洪道的进口段(2)中所述倒置等腰三角形台阶的顶角为45～60°。
3.根据权利要求1或2所述的复式连续阶梯溢洪道，其特征在于该溢洪道的阶梯段(3)中所述每个台阶相对于各自底板的高程HX-1～6为2～5m，且各级各区台阶的高程HX-1～6相同。
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