CN106436659A - 一种异型台阶消能工 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种异型台阶消能工，属于水利水电工程中泄洪消能设施领域。本发明所述的异型台阶消能工，包括由若干梯形台阶、三角形台阶、燕尾形台阶和舌形台阶分别叠加组成不同阶梯状台阶消能工，其中每个台阶的垂直面为多面或曲面。本发明的消能工适用于低佛氏数、大单宽流量溢洪道或泄洪洞阶梯消能，有效提高消能率，降低空化空蚀的风险；传统矩形台阶消能工水流为二元流，本发明异型台阶消能工的水流为三元流，且异型台阶上漩涡有各种尺度，为三维漩涡，水流紊动强烈，因此消能效果优于同条件下的矩形台阶溢洪道或泄洪洞。在低佛氏数、大单宽流量溢洪道或泄洪洞泄洪消能中可作为主要的消能工。

Description

一种异型台阶消能工

技术领域

本发明属于一种水利水电工程中的消能设施领域，特别涉及用在低佛氏数、大单宽流量溢洪道或泄洪洞的一种异型台阶消能工。

背景技术

在过去几十年里台阶式溢洪道已经成为一种很流行的安全泄洪方式。由于台阶的累计消能作用，提高了消能率，避免了集中式消能工的弊端，使消能建筑物运行更安全。相关研究资料表明：在相同坡度﹑不同单宽流量情况下，台阶式溢流坝的消能率一般占到总能量的48％～71％，而光滑溢流坝在相同条件下泄槽段的消能率只占到总能量的20％～25％；在渲泄相同流量的情况下，台阶式溢流坝的消能率比光滑溢流坝的消能率高2.4～2.9倍。由于台阶式溢洪道的消能率较高，大大降低了溢洪道末端的消能要求，甚至可以不设消能设施。另外由于RCC技术的应用，使得台阶溢洪道易于施工，工期短，投资省，在国内外许多工程上都有应用。80年代以来，在世界各国的水利工程中，台阶式溢洪道、溢流坝、泄槽的应用得到了迅速的发展，不仅为水利工程所采用，而且已应用到环境、渔业、城市景观设计等领域。台阶式溢洪道虽然有诸多优点，但其消能率随单宽流量的增大而降低，在大单宽流量下，台阶面空化空蚀问题十分突出。传统的矩形台阶溢洪道已无法满足工程实际运行要求，这就必须对传统的台阶体型的布置进行改进或设计新的台阶体型。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种异型台阶消能工，使其适用于大单宽流量溢洪道或泄洪洞的阶梯消能，有效提高消能率，降低空化空蚀的风险。

本发明所述的一种异型台阶消能工，包括由不同形状的若干台阶叠加形成的阶梯状台阶，而不同形状的每个台阶的垂直面为多面或曲面。

上述所述异型台阶消能工，所述由不同形状的若干台阶叠加形成的阶梯状台阶，即由若干梯形台阶叠加形成的梯形阶梯状台阶；或由若干三角形台阶叠加形成的三角形阶梯状台阶；或由若干燕尾形台阶叠加形成的燕尾形阶梯状台阶；或由若干舌形台阶叠加形成的舌形阶梯状台阶。

上述所述异型台阶消能工，所述各形状的台阶头部宽度均为b₁，台阶尾部宽度为b₂，台阶距离溢洪道或泄洪洞内边墙的距离为b₃，溢洪道或泄洪洞的宽度为B，各台阶长度为L，则B＝b₁+b₂+2b₃，b₁/B＝0～0.5，b₂/B＝0.2～1，b₃/B＝0～0.4，台阶长度与溢洪道或泄洪洞宽度比值L/B在0.3～0.7之间。

上述所述异型台阶消能工，所述台阶头部宽度b₁不为0时，此时台阶为梯形阶梯状，即梯形台阶。

上述所述异型台阶消能工，所述各台阶头部宽度b₁为0时，此时台阶为三角形阶梯状，即三角形台阶。

上述所述异型台阶消能工，所述梯形台阶或三角形台阶尾部宽度b₂为溢洪道或泄洪洞的宽度B时，且头部和尾部位置颠倒，则靠近溢洪道或泄洪洞内边墙的部分变成台阶实体，中间部分变成凹槽，此时台阶为燕尾形阶梯状，即燕尾形台阶。

上述所述异型台阶消能工，所述台阶头部形状为半圆形、或抛物线形、或椭圆形曲线时，此时台阶为舌形阶梯状，即舌形台阶。

上述所述异型台阶消能工，所述各形状台阶的单层台阶的高度h＝4～6m。

上述所述异型台阶消能工，所述各形状台阶级数为20～30级。

上述所述异型台阶消能工，异型台阶斜墙角度为β＝300°～900°，其中优选β＝45°～58°。

上述所述溢洪道或泄洪道底板的坡度为θ＝100°～450°。

本发明所述的异型台阶消能工由钢筋混凝土制作而成。

本发明所述的异型台阶消能工优选以下几种形式：

1、梯形台阶消能工

当异型台阶头部宽度b₁不为0时，异型台阶为梯形台阶，所组成的消能工为梯形台阶阶梯消能工。梯形台阶的头部宽度为b₁，台阶尾部宽度为b₂，台阶尾部距离溢洪道或泄洪洞内边墙的距离为b₃，溢洪道或泄洪洞的宽度为B，B＝b₁+b₂+2b₃，其中b₁/B＝0.2～0.5，b₂/B＝0.2～1，b₃/B＝0～0.4；台阶长度为L，L/B＝0.3～0.7；台阶高度为h；异型台阶斜墙角度为β，β＝37°～90°；溢洪道或泄洪洞的底板的坡度为θ，tanθ＝h/L，θ＝10°～45°。

2、三角形台阶消能工

当异型台阶头部宽度b₁为0时，异型台阶为三角形台阶，所组成的消能工为三角形台阶阶梯消能工。三角形台阶尾部宽度为b₂，台阶尾部距离溢洪道或泄洪洞内边墙的距离为b3，溢洪道或泄洪洞的宽度为B，B＝b₂+2b₃，其中b₂/B＝0.4～1，b₃/B＝0～0.3；台阶长度为L，L/B＝0.3～0.7；台阶高度为h；三角形台阶斜墙角度为β，β＝31°～74°；溢洪道或泄洪洞的底板的坡度为θ，tanθ＝h/L，θ＝10°～45°。

3、燕尾形台阶消能工

当梯形台阶或三角形台阶尾部宽度为B时，且头尾颠倒，靠近溢洪道或泄洪洞内边墙的部分变成台阶实体，中间部分变成凹槽，此时异型台阶为燕尾形台阶，所组成的消能工为燕尾形台阶阶梯消能工。燕尾形台阶尾部宽度为b₂，燕尾中间宽度为b₄，溢洪道或泄洪洞的宽度为B，B＝b₂+b₄，b₄/B＝0～0.4，b₂/B＝0.6～1；台阶长度为L，L/B＝0.3～0.7；台阶高度为h；燕尾形台阶斜墙角度为β，β＝31°～67°；溢洪道或泄洪洞的底板的坡度为θ＝10°～45°。

4、舌形台阶消能工

当异型台阶头部为半圆形曲线、或抛物线性曲线、或椭圆形曲线等时、所组成的消能工为舌形台阶阶梯消能工。舌形台阶尾部宽度为b₂，台阶尾部距离溢洪道或泄洪洞内边墙的距离为b₃，溢洪道或泄洪洞的宽度为B，B＝b₂+2b₃，其中b₂/B＝0.35～1，b₃/B＝0～0.3；台阶长度为L，L/B＝0.3～0.7；台阶高度为h；溢洪道或泄洪洞的底板的坡度为θ＝10°～45°。台阶高度范围定为2m-6m。这些参数均通过长期的工程实践和相关理论研究成果，并加以相应模型试验的结果得来，比如溢洪道的坡会影响消能率，坡度越缓，消能率越大，这是经过理论和实践证明了的，另外这些参数可以适应不同水头的工程，比如高水头可以选择较缓的坡度，较长的台阶长度，较小的台阶尾部宽度，对于低水头则相反。

本发明具有以下有益的技术效果：

1、本发明所述异型台阶消能工与传统矩形台阶消能工相比，传统矩形台阶消能工产生的水流为二元流；本发明异型台阶消能工产生的水流为三元流，异型台阶上的漩涡有各种尺度，为三维漩涡；且在同一台阶不同位置的漩涡强度不同，越靠近台阶中轴线漩涡强度越小，漩涡在旋转的同时向台阶中轴线运动，两侧的水流在中轴线交汇碰撞形成螺线型漩涡，紊动强烈，因此消能效果要优于同条件下的矩形台阶溢洪道或泄洪洞，在低佛氏数、大单宽流量溢洪道或泄洪洞泄洪消能中可以作为主要的消能工。

2、水流在通过异型台阶时发生水流的跌落、左右扩散、起到剪切作用，水面上的空气被卷吸进入水体，水流掺气强烈，有效地避免了空化空蚀。

3、本发明所述的异型台阶消能工，结构简单，体型优化容易，检修方便。

附图说明

图1是本发明所述异型台阶消能工台阶形状为梯形的结构示意图；

图2是本发明所述单个梯形台阶的俯视图；

图3是本发明所述单个梯形台阶的左视图；

图4是本发明所述单个梯形台阶的正视图；

图5是本发明所述异型台阶消能工台阶形状为三角形的结构示意图；

图6是本发明所述单个三角形台阶的俯视图；

图7是本发明所述单个三角形台阶的左视图；

图8是本发明所述单个三角形台阶的正视图；

图9是本发明所述异型台阶消能工台阶形状为燕尾形的结构示意图；

图10是本发明所述单个燕尾形台阶的俯视图；

图11是本发明所述单个燕尾形台阶的左视图；

图12是本发明所述单个燕尾形台阶的正视图；

图13是本发明所述异型台阶消能工台阶形状为舌形的结构示意图；

图14是本发明所述单个舌形台阶的俯视图；

图15是本发明所述单个舌形台阶的左视图；

图16是本发明所述单个舌形台阶的正视图；

图17是本发明所述异型台阶消能工台阶形状为梯形时，用于溢洪道或泄洪洞的俯视图；

图18是本发明所述异型台阶消能工台阶形状为三角形时，用于溢洪道或泄洪洞的俯视图；

图19是本发明所述异型台阶消能工台阶形状为燕尾形时，用于溢洪道或泄洪洞的俯视图；

图20是本发明所述异型台阶消能工台阶形状为舌形时，用于溢洪道或泄洪洞的俯视图；

图中，1—溢洪道或泄洪洞边墙、2—梯形台阶、3—三角形台阶、4—燕尾形台阶、5—舌形台阶。

具体实施方式

实施例1

实例中底板坡度和斜墙角度与权利要求中限定的数值是怎样的关系？均在权利要求限定的范围内。

本实施例中梯形台阶消能工用于溢洪道，如图1、2、3、4和17所示，溢洪道的最大单宽流量为q＝240m³/s.m，溢洪道宽度B＝30m，底板坡度θ＝18°。设置在溢洪道底板上的梯形台阶2尾部宽度宽B＝30m，头部宽b₁＝10m，尾部宽b₂＝30m，梯形台阶2尾部距离溢洪道或泄洪洞内边墙1的距离为b₃＝0m；台阶2长度L＝12m，梯形台阶2斜墙角度β＝50°；梯形台阶2高度h＝4m，共设置30级台阶，落差120m。

模型试验表明，本实施例中的梯形台阶溢洪道台阶开始断面处的流速为25m/s，台阶结束断面处的流速为25m/s，消能率约为79％；溢洪道内的水流从第四级台阶开始强烈掺气，第四级台阶以后的水流中充满气泡，呈现“白水”状态，水面平稳，有效避免空化空蚀的破坏。

实施例2

本实施例中三角形台阶消能工用于溢洪道，如图5、6、7、8和18所示，溢洪道的最大单宽流量为q＝160m³/s.m，溢洪道宽度B＝25m，底板坡度θ＝27°。设置在溢洪道底板上的三角形台阶3尾部宽度b₂＝15m，三角形台阶3尾部距离溢洪道或泄洪洞内边墙1的距离为b₃＝5m；台阶3长度L＝12m，三角形台阶3斜墙角度β＝58°；台阶2高度h＝6m，共设置20级台阶，落差120m。

模型试验表明，本实施例中的三角形台阶溢洪道台阶开始断面处的流速为25m/s，台阶结束断面处的流速为27m/s，消能率约为75.5％，溢洪道内的水流从第三级台阶开始强烈掺气，第三级台阶以后的水流中充满气泡，呈现“白水”状态，能保护阶梯表面避免发生空化空蚀的破坏，水面相对平稳，水流掺气比较强烈。

实施例3

本实施例中燕尾形台阶消能工用于溢洪道，如图9、10、11、12和19所示，溢洪道的最大单宽流量为q＝200m³/s.m，溢洪道宽度B＝25m，底板坡度θ＝22°。设置在溢洪道底板上的燕尾形台阶4尾部宽度b₂＝20m，燕尾中间宽度为b₄＝5m；燕尾形台阶4长度L＝10m，燕尾形台阶4斜墙角度β＝45°；燕尾形台阶4高度h＝4m，共设置25级台阶，落差100m。

模型试验表明，本实施例中的燕尾形台阶溢洪道台阶开始断面处的流速为20m/s，台阶结束断面处的流速为25m/s，消能率约为73.5％，溢洪道内的水流从第二级台阶开始强烈掺气，第二级台阶以后的水流中充满气泡，呈现“白水”状态，有效避免空化空蚀的破坏，水流掺气十分强烈。

实施案例4

本实施例中舌形台阶消能工用于溢洪道，如图13、14、15、16和20所示，溢洪道的最大单宽流量为q＝150m³/s.m，溢洪道宽度B＝25m，底板坡度θ＝27°。设置在溢洪道底板上的舌形台阶5尾部宽度b₂＝20m，舌形台阶5尾部距离溢洪道或泄洪洞内边墙1 的距离为b₃＝2.5m；舌形台阶5长度L＝10m，舌形台阶5高度h＝5m，共设置25级台阶，落差125m。

模型试验表明，本实施例中的舌形台阶溢洪道台阶开始断面处的流速为20m/s，台阶结束断面处的流速为26m/s，消能率约为76.3％，溢洪道内的水流从第五级台阶开始强烈掺气，第五级台阶以后的水流中充满气泡，呈现“白水”状态，有效避免空化空蚀的破坏，水流掺气十分强烈。

有必要在此指出的是，上述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，所属技术领域的技术人员根据上述内容对本发明做出一些非本质的改进和调整进行具体实施，仍属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种异型台阶消能工，其特征在于包括由不同形状的若干台阶叠加形成的阶梯状台阶，而不同形状的每个台阶的垂直面为多面或曲面。

2.根据权利要求1所述一种异型台阶消能工，其特征在于所述由不同形状的若干台阶叠加形成的阶梯状台阶，即由若干梯形台阶(2)叠加形成的梯形阶梯状台阶；或由若干三角形台阶(3)叠加形成的三角形阶梯状台阶；或由若干燕尾形台阶(4)叠加形成的燕尾形阶梯状台阶；或由若干舌形台阶(5)叠加形成的舌形阶梯状台阶。

3.根据权利要求1或2所述一种异型台阶消能工，其特征在于所述各形状的台阶头部宽度均为b₁，台阶尾部宽度为b₂，台阶距离溢洪道或泄洪洞内边墙(1)的距离为b₃，溢洪道或泄洪洞的宽度为B，各台阶长度为L，则B＝b₁+b₂+2b₃，b₁/B＝0～0.5，b₂/B＝0.2～1，b₃/B＝0～0.4，台阶长度与溢洪道或泄洪洞宽度比值L/B在0.3～0.7之间。

4.根据权利要求3所述一种异型台阶消能工，其特征在于所述各台阶头部宽度b₁不为0时，此时台阶为梯形阶梯状，即梯形台阶(2)。

5.根据权利要求3所述一种异型台阶消能工，其特征在于所述各台阶头部宽度b₁为0时，此时台阶为三角形阶梯状，即三角形台阶(3)。

6.根据权利要求3所述一种异型台阶消能工，其特征在于所述梯形台阶(2)或三角形台阶(3)尾部宽度b₂为溢洪道或泄洪洞的宽度B时，且头部和尾部位置颠倒，则靠近溢洪道或泄洪洞内边墙(1)的部分变成台阶实体，中间部分变成凹槽，此时台阶为燕尾形阶梯状，即燕尾形台阶(4)。

7.根据权利要求3所述一种异型台阶消能工，其特征在于所述台阶头部形状为半圆形、或抛物线形、或椭圆形曲线时，此时台阶为舌形阶梯状，即舌形台阶(5)。

8.根据权利要求3所述一种异型台阶消能工，其特征在于所述各形状台阶的单层台阶的高度h＝4～6m，各形状台阶级数为20～30级。

9.根据权利要求8所述一种异型台阶消能工，其特征在于异型台阶斜墙角度为β＝300°～900°。

10.根据权利要求9所述一种异型台阶消能工，其特征在于异型台阶斜墙角度为β＝45°～58°。