CN107476262A - 一种溢流坝上的斜面型阶梯消能工 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种溢流坝上的斜面型阶梯消能工，属于水利水电工程中使用的消能设施领域。包括上游的WES曲线段、中间的阶梯段和下游反弧段，阶梯段分为过渡阶梯段和均匀阶梯段。所述阶梯段是在传统阶梯的基础上将阶梯立面或平面设计成斜面型。这种斜面型的阶梯不仅增大了水流与空气的接触面积使水流在阶梯上的沿程掺气效果大幅度改善，降低了台阶上空化空蚀的几率，同时减弱了水流对阶梯面和边墙的直接冲刷，对阶梯和边墙起到了保护作用，提高溢流坝的使用寿命。本发明可以与前置掺气坎进行联合消能，可以将来自与掺气坎水流在阶梯上进一步强迫掺气，具有更高的消能防冲效率，适用于水利工程中泄水建筑物的掺气减蚀。
Description
技术领域
本发明属于水利水电工程中使用的消能设施领域，特别涉及一种用于坝面溢流的阶梯消能工。
背景技术
在坝工设计中，泄洪和消能是泄水建筑物承担的两大任务，即在安全稳定宣泄多余洪水的同时防止下泄水流对坝面和下游基坑的冲刷破坏，尤其对于高水头、大流量泄洪工程，由于宣泄的洪水难以及时的消能，下泄的水流的流速和冲击压力较大，对下游消力池破坏十分严重。因此水力研究者在总结传统底流消能工的基础上，引入阶梯溢流坝消能工，它主要利用坝面阶梯上水流所形成的横向旋滚及其与主流之间的剪切和动量的交换来达到消能的目的，由于坝面的强迫掺气可以降低对坝体和下游冲刷破坏。但随着工程建设规模的发展，传统形式阶梯消能存在很大的缺点和局限性，如在高水头、大单宽流量的泄水建筑物中，由于阶梯面上的水深加大，底部缺乏掺气条件，坝面就会出现空化空蚀破坏，尤其是前几级台阶面的负压较大，掺气量不足，其空蚀破坏最为严重；底流消能在下游需要较长的护坦和消力池，工程量较大，工程投资较高；单一的挑流消能常常在反弧段产生较大的水流雾化现象对工程安全和下游环境带来不利的影响。因此，阶梯消能工仍有待进行体型优化，增加对高水头、大单宽流量溢流坝的适用性，提高消能效率。
发明内容
本发明的目的是提供一种溢流坝面上的斜面型阶梯消能工，将传统的阶梯面根据溢流坝工作水头进行一定角度的偏折，以增大阶梯与水流的接触面积消除阶梯面负压的产生，且传统阶梯上的水流会向下向外发生偏折的现象，导致水体可能会直接落在相隔的几级阶梯上或者冲刷大坝的边墙，因此需要设置不同尺寸的阶梯使水流平顺的流出的同时加大底部水流掺气的效果，减少水流对阶梯和边墙的冲刷破坏，提高阶梯段的消能率，延长大坝的使用寿命。
本发明的技术方案：一种溢流坝上的斜面型阶梯消能工，其特征在于：包括顶部WES曲线段、中间阶梯段和下部的反弧段三部分，WES曲线段、中间阶梯段和下部的反弧段依次从溢流坝的进水端到出水端连接为一个整体；所述阶梯段从高位至低位依次为过渡阶梯段和均匀台阶段，所述过渡阶梯段的台阶水平表面向下偏折一定角度，所述均匀台阶段的台阶水平表面向下偏折一定角度，台阶立面竖直面向右偏折一定角度。
所述溢流坝上的中间阶梯段的整体阶梯的底坡倾角θ1为53°～63°。
所述的溢流坝面上的斜面型阶梯消能工，可在WES曲线段和过渡阶梯段之间设置掺气坎，以便进一步增加水流的掺气效果，增强减免空化空蚀的力度。
所述过渡阶梯段由前五级或前六级台阶组成，为了使水流平顺的流下均匀台阶的平面由传统台阶的水平面向下偏折，有利于增加前几级阶梯水流掺气量降低空蚀破坏的程度，偏折的角度为θ2＝3.8°～11.3°，宽度b1＝0.25m～2.0m，台阶的立面依旧是传统的竖直台阶面，其高度h1＝0.25m～1.5m。
所述均匀阶梯段向上紧接着过渡台阶段，向下连接着反弧段。为了提高水流的掺气量，均匀阶梯平面由传统阶梯水平面向下偏折，增大了水流与空气的接触面积使水流在阶梯上的沿程掺气效果大幅度改善，且可以更好的衔接上游水流，减弱了水流对阶梯面和边墙的直接冲刷破坏的几率，对阶梯和边墙起到了保护作用，提高溢流坝的使用寿命。其偏折的角度为θ3＝3.8°～11.3°，宽度b2＝0.25m～2.0m，台阶立面由传统阶梯竖直面向右偏折，其偏折的角度为β＝3.8°～11.3°，高度h2＝0.25m～1.5m。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明所述溢流坝上的斜面型阶梯消能工中的过渡阶梯段平面台阶面由于向下偏折一定的角度，增大了水流与阶梯的接触面积，提高了水流的掺气率。因为阶梯面更容易掺气，所以在增强消能效果的同时阶梯空化空蚀的破坏也将随之减少。
2、本发明所述溢流坝上的斜面型阶梯消能工连接过渡阶梯的均匀阶梯由于改变传统阶梯立面和平面的的角度，顺应了水流的流向，使水流平顺的流下，避免了水流对阶梯和边墙的直接冲刷，提高大坝的使用寿命。
3、本发明所述溢流坝上的斜面型阶梯消能工运用到高水头、大流量的水利工程中，可以设置前置掺气坎为水舌底部创造掺气条件，增大掺气空腔和掺气浓度从而减少过渡阶梯的空化空蚀度，使溢流坝适用的工作水头范围增大。
4、本发明所述溢流坝上的斜面型阶梯消能工设计简单、施工可操作性强，适用范围广。
附图说明
图1是本发明所述溢流坝面上的斜面型消能工结构示意图；
图2是本发明所述溢流坝面上的斜面型消能工第一种局部放大图；
图3是本发明所述溢流坝面上的斜面型消能工第二种局部放大图，在WES曲线段上和过渡阶梯段设置掺气坎；
图4是本发明溢流坝上的斜面型消能工过渡阶梯段放大图；
图5是本发明溢流坝上的斜面型消能工均匀阶梯段放大图；
图中各标号：1-WES曲线段、2-掺气坎、3-过渡阶梯段、4-均匀阶梯段、5-反弧段。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明所述溢流坝上的斜面型阶梯消能工作进一步说明。
以云南澜沧江阿海水电站为依托，该水电站位于金沙江中游河段。枢纽主要由挡水建筑物、泄水建筑物、引水建筑物和厂房组成。泄水建筑物的溢流坝段采用的是Y型宽尾墩＋阶梯溢流坝＋消力池一体化消能工，由5个溢流表孔组成，其中溢流堰堰顶高程为1484m，采用WES溢流堰型，溢流堰孔口尺寸宽*高＝13m*20m，堰后接底坡倾角为53°的阶梯直线段，用反弧段相连接直到消力池段。该水电站的最大单宽流量为178m3/s·m，属于高水头、大流量的泄水建筑物，下面实例中取溢流坝的五孔中的一孔来说明水流状况。
实施例1 ：本实施例中，溢流坝上的斜面型阶梯消能工的结构如图1、图2所示，包括WES曲线段1与阶梯段中的过渡阶梯段3相接，过渡阶梯段3与均匀阶梯段4相接，而均匀阶梯段4直接接向下游的反弧段5，中间阶梯段的整体阶梯的底坡倾角θ1为53°～63°。所述过渡阶梯段3由阶梯段的前6级台阶组成，其阶梯的平面由传统阶梯的水平面向下偏折，偏折的角度为θ2＝10°，宽度b1＝0.76，其立面仍传统阶梯的竖直阶梯面，高度h1＝0.86m。所述均匀阶梯段4向上直接连接过渡阶梯段3，向下连接反弧段5，其均匀阶梯的平面由传统阶梯的水平面向下偏折，偏折的角度为θ3＝10°，宽度b2＝0.60m，阶梯的立面由传统的竖直面向右偏折，其偏折的角度为β＝10°，高度h2＝0.90m，而过渡阶梯段和均匀阶梯段的长度都为13m。所述反弧段的半径为50m，下游消力池的长度为155.59m。
试验测试表明：与传统水平面竖直面阶梯面相比（下泄单宽流量为80m3/s·m），本实验斜面型阶梯消能工上的水流整体流态稳定，几乎不会对阶梯段的边墙造成冲刷破坏。过渡阶梯段3的阶梯掺气空腔长度变大。水流在阶梯段上的掺气更加明显，而反弧段5的水流呈乳白色的旋滚状态，减少水流雾化对环境造成的不利影响，消力池上的水流较平缓。
实施例2：本实施例中，溢流坝上的斜面型阶梯消能工结构如图1、图2所示，与实施例1不同之处在于设计135.55m3/s·m和170m3/s·m两种大单宽流量。
试验测试表明：与传统阶梯溢流坝相比（下泄单宽流量分别为135.55m3/s·m和170m3/s·m），本实验斜面型阶梯消能工上的水流流态相对稳定，阶梯段的掺气空腔明显，水流可以进行有效的掺气，消力池上的水流之间的掺混程度明显下降，消能效果较好。但随着单宽流量的增加，阶梯段上的掺气空腔有减少的趋势，反弧段5的旋滚更加剧烈。
实施例3：本实施例中，溢流坝上的斜面型阶梯消能工的结构如图3所示，与实施例1不同之处是可以在WES曲线段1和阶梯段的衔接处设置掺气坎2，掺气坎2直接连接过渡阶梯3，其坡比为1：5.67，其侧面垂直于WES曲线段1和过渡阶梯3相接的直线段，高度为1m。
试验测试表明：与传统水平面竖直面阶梯面相比（下泄单宽流量为80m3/s·m），本实验斜面型阶梯消能工上的水流整体流态稳定，几乎不会对阶梯段的边墙造成冲刷破坏，过渡阶梯段3上的紊动和旋滚十分强烈，水流对阶梯段的空化空蚀现象得以改善，消力池上的水流较平缓，消能率率明显提高。
实施例4：本实施例中，溢流坝上的斜面型阶梯消能工的结构如图3所示，与实施例3不同之处在于设计135.55m3/s·m和170m3/s·m两种大单宽流量。
试验测试表明：与传统阶梯溢流坝相比（下泄单宽流量分别为135.55m3/s·m和170m3/s·m），本实验斜面型阶梯消能工的掺气空腔较大，前几阶阶梯上的水流流态稳定，基本成滑行式的水流流态，阶梯面上的消能效果明显提高。但随着单宽流量的增加，阶梯段上的掺气空腔有减少的趋势，其掺气效果降低，阶梯段上的消能率增加的幅度不大。
上面结合图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (5)
1.一种溢流坝上的斜面型阶梯消能工，其特征在于：包括顶部WES曲线段（1）、中间阶梯段和下部的反弧段（5）三部分，WES曲线段（1）、中间阶梯段和下部的反弧段（5）依次从溢流坝的进水端到出水端连接为一个整体；所述阶梯段从高位至低位依次为过渡阶梯段（3）和均匀台阶段（4），所述过渡阶梯段（3）的台阶水平表面向下偏折一定角度，所述均匀台阶段（4）的台阶水平表面向下偏折一定角度，台阶立面竖直面向右偏折一定角度。
2.根据权利要求1所述的溢流坝上的斜面型阶梯消能工，其特征在于：所述溢流坝上的中间直线段的整体阶梯的底坡倾角θ1为53°～63°。
3.根据权利要求1所述的溢流坝上的折线型阶梯消能工，其特征在于：所述过渡阶梯段（3）由前五级或六级台阶组成，台阶水平表面由传统阶梯水平面向下偏折，其偏折的角度θ2为3.8°～11.3°，宽度b1为0.25m～2.0m，台阶的立面为传统的竖直台阶面，其高度h1为0.25m～1.5m。
4.根据权利要求1所述的溢流坝上的折线型阶梯消能工，其特征在于：所述均匀阶梯段（4）向上直接连接过渡阶梯段（3），向下连接反弧段（5），台阶水平表面由传统阶梯水平面向下偏折，其偏折的角度θ3为3.8°～11.3°，宽度b2为0.25m～2.0m，台阶立面由传统阶梯竖直面向右偏折，其偏折的角度β为3.8°～11.3°，高度h2为0.25m～1.5m。
5.根据权利要求1所述的溢流坝上的折线型阶梯消能工，其特征在于：所述WES曲线段（1）和中间阶梯段的衔接处设置有掺气坎（2）。
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