CN107663851A - 一种防空化破坏曲型阶梯溢流坝 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种防空化破坏曲型阶梯溢流坝，涉及水利水电工程技术领域，主要布置在WES堰与消力池之间。保持了传统阶梯溢流坝低水头、小单宽流量条件下掺气充分，消能率高的优点，同时从阶梯溢流坝空化根源入手，消除高速水流下阶梯壁面空化发生的条件，有效防止阶梯因掺气不足而发生的破坏，使阶梯溢流坝不再仅依赖掺气设施而减轻自身的破坏，本发明与宽尾墩和掺气坎等联合使用，为解决高速水流空化破坏这一技术难题及泄水建筑物向更高水头、更大单宽流量过流条件发展提供了参考方案。本发明体型优美方便施工，运用于景观设计具有较高的观赏性。
Description
技术领域
本发明属于水利水电工程技术领域，涉及一种防空化破坏曲型阶梯溢流坝。
背景技术
阶梯溢流坝作为一种消能工运用在塘坝和跌水上，已有2500多年历史，随着现代RCC技术的不断发展，阶梯溢流坝的研究和应用在多个国家得到迅速增长，不完全统计表明，目前美国、巴西、俄罗斯、南非、加拿大、英国、挪威、法国、等国家已经建的多座大坝均采用了阶梯溢洪道技术。与传统消能工相比，阶梯溢流坝的优点相当突出，从施工角度考虑，便于机械化施工，缩短施工期，因此大幅度减少工程费用，从水力学角度考虑，由于台阶的作用，根据来流量的不同水流顺台阶跌落或滑行而下，当水流顺着阶梯跌落时，通过水流与阶梯及水流之间的碰撞，加之周围大量空气被卷入水体，形成强烈的自掺气水汽两相流；当阶梯溢流坝出现滑行流时，阶梯内出现旋涡，旋涡与主流之间的剪切，加大了能量的交换，同时旋涡的存在增强了水体紊动，两种流态均将水体大量能量消散在阶梯溢流坝表明从而大大减小消力池长度。
虽然阶梯溢流坝优点诸多，但其效能率随着单宽流量的增大而减少，特别是高水头、大单宽流量下产生的滑行水流，滑行流实际上就是传统光滑过流面的群体加糙，对群体加糙的高速水流而言，必然面临水流空蚀问题，为了解决阶梯溢流坝空蚀空化问题，我国学者提出在阶梯溢流坝上游WES曲面出口设置宽尾墩，利用宽尾墩对水流的挑射作用，减少了阶梯溢流坝过流量，但是仍避免不了阶梯空化空蚀破坏，为了解决这一技术难题，通常在溢流坝与宽尾墩之间增设掺气设施，工程实际中常在阶梯溢流坝首级台阶与WES曲面交接处掺气坎，增加水流掺气率，保护阶梯溢流坝免受空蚀空化破坏，虽取得一定的成效，但却带来一定的负面影响，如设置掺气坎，高速水流通过时，在阶梯溢流坝首级台阶与WES曲面交接处，阶梯外缘产生较大负压，掺气效果不佳溢流坝面破坏依然存在等。为解决这一技术难题，作者提出从阶梯发生空蚀空化根源入手。分析空蚀空化产生的根源在于泄流时阶梯内的负压，而在滑行流时阶梯面产生顺时针旋涡，旋涡水平阶梯内侧约0.3倍阶梯宽度处运动方向背离水平面，必产生压强最小点，同理在阶梯竖直面外缘也必产生压强最小点，当旋涡强度较大时，压强最小点就会出现较大负压，导致空蚀空化破坏产生。因此要解决空蚀空化问题，需改变旋涡流态，使其在阶梯壁面不出现运动方向背离阶梯的旋涡。
发明内容
本发明提出防空化破坏曲型阶梯溢流坝，主要解决高水头、大单宽流量空化空蚀难题。
本发明的技术方案是：一种防空化破坏曲型阶梯溢流坝，包括宽尾墩5、掺气坎6、阶梯溢流段7、反弧段8和消力池9，所述阶梯溢流段7上方连接掺气坎6和宽尾墩5，下方连接反弧段8和消力池9，所述阶梯溢流段7的竖直壁面3上部设置有竖直减速段1，水平壁面4靠近竖直壁面3处设置有水平减速段2，阶梯溢流段7包括掺气空腔段和阶梯溢流坝过流面，其中竖直壁面3包括掺气空腔段靠近掺气坎6的首级台阶的竖直壁面以及阶梯溢流坝过流面中的每级台阶的竖直壁面，水平壁面4包括阶梯溢流坝过流面中的每级台阶的水平壁面；所述竖直减速段1和水平减速段2均为凸出的曲面。
进一步的，所述竖直减速段1为弧线形的曲面，弧线一端点与竖直壁面3的上方顶点重合，弧线两端之间的长度为竖直壁面3长度L1的0.5～1倍，弧线顶点与竖直壁面3的垂直距离为h1，h1与竖直壁面3长度L1之比为α，α=0.01～0.06。
进一步的，所述水平减速段2为弧线形曲面，弧线一端点位于水平壁面4和竖直壁面3的交接处，弧线两端之间的长度为水平壁面4长度L2的0.5～1倍，弧线顶点与水平壁面4的垂直距离为h2，h2与水平壁面4长度L2之比为β，β=0.013～0.067。
本发明的工作原理：本发明将传统阶梯溢流坝水平和竖直壁面进行优化，相当于在阶梯上设置两道“减速带”，起到破坏空化空蚀发生条件，同时对泄洪时阶梯薄弱部位进行加强，一方面利用阶梯凸起改变旋涡流态，使得阶梯内旋涡尽量远离阶梯壁面，向阶梯中心发展，起到破坏空化空蚀发生条件作用，同时由于圆弧具有分散压力作用使得台阶即使产生负压，也会较分散，而减轻对阶梯的破坏。根据不同工程需要可设置不同的弧长及半径，与宽尾墩和掺气坎联合运用不仅利用宽尾墩挑射水流作用减少溢流坝坝面过流，同时前置掺气坎迫使水舌底部掺气，降低阶梯溢流坝空蚀空化的可能，而且由于阶梯溢流坝的“自我保护”，使得一体化消能工，向更高水头、更大单宽流量迈进。
本发明的有益效果：本发明防空化空化破坏曲型阶梯溢流坝，结构简单，施工方便，有效减小或消除空蚀空化破坏，有助于减少工程量、工期及成本，为水利设施更进一步，提供了参考。
附图说明
图1、图2为本发明与宽尾墩，掺气坎，消力池联合消能方式工程布置图；
图3为本发明阶梯侧视图；
图 4、图5分别为传统阶梯内旋涡流速分布图和本发明防空蚀空化破坏曲型阶梯溢流坝内旋涡流速分布图；
图 6为本发明应用于景观设计泄水建筑物的流态图；
图中各标号为：1-竖直减速段，2-水平减速段，3-竖直壁面，4-水平壁面，5-宽尾墩，6-掺气坎，7-阶梯溢流段，8-反弧段，9-消力池。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1： 如图1和2所示，本方案是与宽尾墩、掺气坎联合使用的宽尾墩+阶梯溢流坝+消力池一体化消能方式。包括宽尾墩5、掺气坎6、阶梯溢流段7、反弧段8和消力池9，所述阶梯溢流段7上方连接掺气坎6和宽尾墩5，下方连接反弧段8和消力池9，所述阶梯溢流段7的竖直壁面3上部设置有竖直减速段1，水平壁面4靠近竖直壁面3处设置有水平减速段2，阶梯溢流段7包括掺气空腔段和阶梯溢流坝过流面，其中竖直壁面3包括掺气空腔段靠近掺气坎6的首级台阶的竖直壁面以及阶梯溢流坝过流面中的每级台阶的竖直壁面，水平壁面4包括阶梯溢流坝过流面中的每级台阶的水平壁面；所述竖直减速段1和水平减速段2均为凸出的曲面。
数据显示宽尾墩对水流的挑射作用，减少了阶梯溢流坝过流量，但仍避免不了阶梯空化空蚀破坏，通常在溢流坝与宽尾墩之间增设掺气设施，工程实际中常在阶梯溢流坝首级台阶与WES曲面交接处掺气坎，增加水流掺气率，保护阶梯溢流坝免受空蚀空化破坏，虽取得一定的成效，但却带来新的工程问题，如在阶梯溢流坝首级台阶与WES曲面交接处，阶梯外缘产生较大负压，掺气效果不佳溢流坝面破坏依然存在等。本方案从外界掺气以及阶梯结构破坏空蚀空化产生条件两个方面有效解决高速水流空蚀空化问题，为泄水建筑物向更高水头、更大单宽流量过流条件发展提高参考方案。
实施例2：如图3所示，其中竖直减速段1为弧线形的曲面，弧线一端点与竖直壁面3的上方顶点重合，弧线两端之间的长度为竖直壁面3长度L1的0.5～1倍，弧线顶点与竖直壁面3的垂直距离为h1，h1与竖直壁面3长度L1之比为α，α=0.01～0.06。其中水平减速段2为弧线形曲面，弧线一端点位于水平壁面4和竖直壁面3的交接处，弧线两端之间的长度为水平壁面4长度L2的0.5～1倍，弧线顶点与水平壁面4的垂直距离为h2，h2与水平壁面4长度L2之比为β，β=0.013～0.067。
本实施例中竖直壁面和水平壁面长度分别为0.5L1和0.5L2，α=0.01，β=0.013，通过数值模拟观察如图4、图5所示，观察图4传统阶梯内旋涡流速分布，会发现旋涡产生空蚀空化破坏机理。图5为改进后在旋涡流至水平壁面及垂直壁面1/2处时流态发生改变，迫使旋涡远离壁面而向阶梯中部发展，中部旋涡强度最大，而壁面由于“减速带的作用”涡流强度很小，且圆弧具有分散压力的作用，故壁面不会产生较大负压。
实施例3：结合实施例2数值模拟得出的结论，对阶梯溢流面水平和竖直壁面改进，竖直壁面和水平壁面长度分别为0.55L1和0.55L2，α=0.02，β=0.015，对改进后的模型进行水工实验，实验结果分析发现，阶梯水平壁面距离内侧1/3处，以及距离竖直壁面内侧负压明显减小，由于其它部位负压较小，故不做讨论，因此阶梯面负压均减小满足预期要求，通过上述步骤就可以形成本发明所述的防空蚀空化破坏曲型阶梯溢流坝及其功能，能保证泄洪通道的安全使用，减少工程量、工期及成本，为水利设施更解决空化问题，提供了参考，且用于景观设置具有较高的观赏价值。
实施例4：如图6所示，本实施例竖直壁面和水平壁面长度分别为L1和L2，α=0.06，β=0.067。运用于景观设计，无水流通过时其体型优美，具有较高的观赏价值，有水流通过时，由于“减速带”作用，水流通过阶梯，水面高低不平像一层一层叠加的波浪向前推进，流态优美，避免水流因冲击阶梯水平面跃起形成较强的跌流，减小水流冲击对阶梯面产生的振动，保护阶梯溢流面，延长其使用年限。
上面结合附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 (3)
1.一种防空化破坏曲型阶梯溢流坝，其特征在于：包括宽尾墩（5）、掺气坎（6）、阶梯溢流段（7）、反弧段（8）和消力池（9），所述阶梯溢流段（7）上方连接掺气坎（6）和宽尾墩（5），下方连接反弧段（8）和消力池（9），所述阶梯溢流段（7）的竖直壁面（3）上部设置有竖直减速段（1），水平壁面（4）靠近竖直壁面（3）处设置有水平减速段（2），阶梯溢流段（7）包括掺气空腔段和阶梯溢流坝过流面，其中竖直壁面（3）包括掺气空腔段靠近掺气坎（6）的首级台阶的竖直壁面以及阶梯溢流坝过流面中的每级台阶的竖直壁面，水平壁面（4）包括阶梯溢流坝过流面中的每级台阶的水平壁面；所述竖直减速段（1）和水平减速段（2）均为凸出的曲面。
2.根据权利要求1所述的防空化破坏曲型阶梯溢流坝，其特征在于：所述竖直减速段（1）为弧线形的曲面，弧线一端点与竖直壁面（3）的上方顶点重合，弧线两端之间的长度为竖直壁面（3）长度L1的0.5～1倍，弧线顶点与竖直壁面（3）的垂直距离为h1，h1与竖直壁面（3）长度L1之比为α，α=0.01～0.06。
3.根据权利要求1所述的防空化破坏曲型阶梯溢流坝，其特征在于：所述水平减速段（2）为弧线形曲面，弧线一端点位于水平壁面（4）和竖直壁面（3）的交接处，弧线两端之间的长度为水平壁面（4）长度L2的0.5～1倍，弧线顶点与水平壁面（4）的垂直距离为h2，h2与水平壁面（4）长度L2之比为β，β=0.013～0.067。
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