CN109056668A - 一种阶梯溢流坝宽尾墩尾部的防空化设施 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种阶梯溢流坝宽尾墩尾部的防空化设施，本发明采用闸墩与宽尾墩结合的入口大于出口的闸室，能够利用宽尾墩增大对水流的压缩能力，将下泄水流横向收缩竖向拉伸，挑射至下游，成股的挑射水舌在空中互相掺气、碰撞，从而提高宽尾墩的消能效果，而宽尾墩尾部的挑坎，可将从闸室流出的水体挑离溢流面，从而使之后的溢流面形成无水区，利用带有掺气槽新型过渡阶梯的体型来改变掺气空腔面积的大小和形状，加之通气孔、通气井进行掺气，提高该处的掺气量，进而让最容易受空蚀空化破坏的溢流坝面合理掺气，降低破坏可能。空腔后的台阶恰好是水舌前沿跌落点，利用台阶对水流的摩阻作用，加速台阶对泄流能量的耗散；之后利用反弧段和消力池进一步消能。
Description
技术领域
本发明涉及一种阶梯溢流坝宽尾墩尾部的防空化设施，属于水利水电工程中泄洪消能领域。
背景技术
近年来，随着我国筑坝技术的日益发展，阶梯溢流坝已在国内外中小型工程中得到大量的应用。而传统的消能方式，消能率高仅仅局限于40m3(s·m)的小单宽流量，在大单宽流量和高水头的情况下（单宽流量q>40m3(s·m)），由于溢流水舌的覆盖，阶梯面通气难，可能产生空蚀空化破坏，因而不可能应用于高水头、大单宽流量的泄洪建筑物中。
根据已有的工程实践及无数试验表明，掺气减蚀是防止阶梯溢流坝发生空蚀破坏最有效、最经济的办法。试验研究表明，水体中掺气浓度达到2%左右时，掺气效果明显得到改善，已经大大减轻了空蚀破坏的可能性，当掺气浓度达到7%左右时，完全可避免空蚀破坏。故高效的掺气设施对避免阶梯溢流坝发生空蚀破坏以及确保水利水电工程安全运行具有一定的意义。
根据张挺对贵州索风营水电站X型宽尾墩+台阶+消力池的一体化消能工的研究中发现在首级台阶立面与溢流坝面交界处发生了空化现象，说明这种一体化消能工对溢流坝面的掺气量还未达到要求。
发明内容
本发明提供了一种阶梯溢流坝宽尾墩尾部的防空化设施，以用于解决在首级阶梯立面与溢流坝面交界处发生了空化现象的问题。
本发明的技术方案是：一种阶梯溢流坝宽尾墩尾部的防空化设施，包括采用掺气槽的过渡阶梯62、通气井66、通气孔67；其中采用掺气槽的过渡阶梯62由两级阶梯构成且两个阶梯立面位置为掺气槽，采用掺气槽的过渡阶梯62的首级阶梯连接阶梯溢流坝的宽尾墩3墩尾，过渡阶梯62的第二级阶梯连接均匀阶梯7，两个阶梯与左右边墙接触部位设有通气孔67并通过通气井66与大气相通。
所述掺气槽为：圆弧形掺气槽63、牛腿形掺气槽65。
所述圆弧形掺气槽63指由阶梯立面上下两个顶点及立面中点向后伸出距离为a确定的点构成。
所述a取值为0.5m~1m。
所述圆弧型掺气槽63为半圆形掺气槽64。
所述牛腿形掺气槽65指从阶梯立面与平面接触的点向后伸出距离b，以向后伸出距离的延伸点向上伸出距离c，以向上伸出距离的延伸点连接阶梯立面的上顶点。
所述b取值为0.5m~1m；所述c取值为1m~1.5m。
还包括挑坎61，过渡阶梯62的首级阶梯通过挑坎61连接宽尾墩3墩尾。
所述挑坎61的角度θ为9°≤θ≤11.3°。
本发明的有益效果是：采用闸墩与宽尾墩结合的入口大于出口的闸室，能够利用宽尾墩增大对水流的压缩能力，将下泄水流横向收缩竖向拉伸，挑射至下游，成股的挑射水舌在空中互相掺气、碰撞，从而提高宽尾墩的消能效果，而宽尾墩尾部的挑坎，可将从闸室流出的水体挑离溢流面，从而使之后的溢流面形成无水区，利用带有掺气槽新型过渡阶梯的体型来改变掺气空腔面积的大小和形状，加之通气孔、通气井进行掺气，提高该处的掺气量，进而让最容易受空蚀空化破坏的溢流坝面合理掺气，降低破坏可能。空腔后的台阶恰好是水舌前沿跌落点，利用台阶对水流的摩阻作用，加速台阶对泄流能量的耗散；之后利用反弧段和消力池进一步消能。通过本申请设计的阶梯溢流坝通过利用分部分区的联合泄洪消能结构，既降低了溢流坝面空蚀空化破坏，又提高了消能率。
附图说明
图1是本发明的侧视图；
图2是本发明图1的局部放大图；
图3是本发明局部俯视图；
图4是本发明的溢流坝水面线图；
图5是本发明采用圆弧形掺气槽结构示意图；
图6是本发明采用半圆形掺气槽结构示意图；
图7是本发明采用牛腿形掺气槽结构示意图一；
图8是本发明采用牛腿形掺气槽结构示意图二；
图中各标号为：1-坝体、2-闸门、3-宽尾墩、4-溢流边墙、5-消力坎、6-阶梯溢流坝宽尾墩尾部的防空化设施、61-挑坎、62-过渡阶梯、63-圆弧形掺气槽、64-半圆形掺气槽、65-牛腿形掺气槽、66-通气井、67-通气孔、7-均匀阶梯、8-反弧段、9-消力池、10-左右边墙水面线、11-掺气空腔。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明作进一步说明，但本发明的内容并不限于所述范围。
实施例1：一种阶梯溢流坝宽尾墩尾部的防空化设施6应用于以发电为主，兼顾防洪、灌溉等综合利用的水利水电枢纽工程，该电站溢洪道最大工作水头105m，，设计均匀阶梯坡度为53°，最大单宽流量178m3/s.m。
本实施例中的挑坎+新型过渡台阶的联合消能工应用于高水头、大单宽流量的水工泄洪建筑物中，其结构如图5、图6所示，包括设置在宽尾墩3后的挑坎61和新型过渡台阶62。挑坎61形状为“三角形”状，其角度θ为9°≤θ≤11.3°，本实施例中选取3个具体角度，分别为9°、10°、11.3°，其高度h=1m，其后接采用圆弧形掺气槽63或者半圆形掺气槽64的过渡阶梯62，过渡阶梯由2个高2m，宽1.5m的大台阶组成，圆弧形掺气槽63是由台阶立面上下两个顶点及立面中点向后伸出距离为a确定的点构成的圆弧型掺气槽，a取值为（0.5m~1m），本实施例中选取a为0.5m、1m（图5为0.5m示意下的图；图6为1m示意下的图；图6是图5的一种特例）。
挑坎61的3种形式与带有掺气槽的过渡阶梯62进行组合，形成本发明的挑坎+带有掺气槽新型过渡台阶组合体型，如图5、图6。
试验测试表明，本实施例中的挑坎+带有掺气槽新型过渡台阶的联合消能工能保护WES曲线段与首级台阶立面衔接处，避免发生空蚀空化破坏，消能率约为66%。
实施例2：一种阶梯溢流坝宽尾墩尾部的防空化设施6用于台阶均匀阶梯坡度为53°，应用于高水头，大单宽流量的泄洪建筑物中。
本实施例中的一种阶梯溢流坝宽尾墩尾部的防空化设施，其结构如图7、8所示，包括设置在宽尾墩3后的挑坎61和新型过渡台阶62。挑坎61形状为“三角形”状，其角度θ为9°≤θ≤11.3°，本实施例中选取3个具体角度，分别为9°、10°、11.3°，其高度h=1m，其后接带有牛腿形掺气槽65过渡阶梯62，过渡阶梯由2个高2m，宽1. 5m的台阶组成，牛腿形掺气槽65，如图7、8，所述牛腿形掺气槽65指从阶梯立面与平面接触的点向后伸出距离b，以向后伸出距离的延伸点向上伸出距离c，以向上伸出距离的延伸点连接阶梯立面的上顶点。b的尺寸范围为（0.5m~1m） c取值为1m~1.5m。图7、8分别画出b=0.5m/b=1m、c=1.4m时的牛腿形掺气槽。
挑坎61的3种形式与带有牛腿形掺气槽65的过渡阶梯62的组合体型，如图7、8所示。
试验测试表明，本实施例中的挑坎+带有牛腿型掺气槽新型过渡台阶的联合消能工能保护WES曲线段与首级台阶立面衔接处，避免发生空蚀空化破坏，根据《混凝土重力坝设计规范》（SL 319—2005），当宣泄校核洪水位闸门全开时，负压值不得超过6×9.81 kPa，该体型下最大负压为0.33kpa，换算为原型的负压值为19.8kpa；消能率约为63%。
本发明的工作原理是：
溢流坝在泄洪时，先打开闸墩的闸门2，下泄水流从闸室流出，经过宽尾墩3形成横向收缩，纵向耸立的水舌，再经过宽尾墩后的挑坎61挑离溢流面，在溢流坝面形成无水区，结合带有掺气槽的过渡阶梯62，利用过渡阶梯62来改变掺气空腔面积的大小和形状，加之利用通气井66将外界空气掺入，通过通气孔67进入掺气槽，提高掺气浓度，产生稳定的掺气空腔，降低空蚀空化破坏，从而让容易遭受气蚀溢流坝面区域受到保护，接着挑起的水舌底部落入空腔后的均匀阶梯7，台阶对其旋滚、摩擦作用，从而形成滑移水流，对水舌后沿起水垫作用，从而加速下泄水流能量耗散，水舌后沿落入反弧段8及消力池9前段，形成水跃的同时，还产生了回流，二者的共同作用下消能；进一步地经过消力池消能和消力坎5的雍水作用，再次消能。
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 (9)
1.一种阶梯溢流坝宽尾墩尾部的防空化设施，其特征在于：包括采用掺气槽的过渡阶梯（62）、通气井（66）、通气孔（67）；其中采用掺气槽的过渡阶梯（62）由两级阶梯构成且两个阶梯立面位置为掺气槽，采用掺气槽的过渡阶梯（62）的首级阶梯连接阶梯溢流坝的宽尾墩（3）墩尾，过渡阶梯（62）的第二级阶梯连接均匀阶梯（7），两个阶梯与左右边墙接触部位设有通气孔（67）并通过通气井（66）与大气相通。
2.根据权利要求1所述的阶梯溢流坝宽尾墩尾部的防空化设施，其特征在于：所述掺气槽为：圆弧形掺气槽（63）、牛腿形掺气槽（65）。
3.根据权利要求2所述的阶梯溢流坝宽尾墩尾部的防空化设施，其特征在于：所述圆弧形掺气槽（63）指由阶梯立面上下两个顶点及立面中点向后伸出距离为a确定的点构成。
4.根据权利要求3所述的阶梯溢流坝宽尾墩尾部的防空化设施，其特征在于：所述a取值为0.5m~1m。
5.根据权利要求2所述的阶梯溢流坝宽尾墩尾部的防空化设施，其特征在于：所述圆弧型掺气槽（63）为半圆形掺气槽（64）。
6.根据权利要求2所述的阶梯溢流坝宽尾墩尾部的防空化设施，其特征在于：所述牛腿形掺气槽（65）指从阶梯立面与平面接触的点向后伸出距离b，以向后伸出距离的延伸点向上伸出距离c，以向上伸出距离的延伸点连接阶梯立面的上顶点。
7.根据权利要求6所述的阶梯溢流坝宽尾墩尾部的防空化设施，其特征在于：所述b取值为0.5m~1m；所述c取值为1m~1.5m。
8.根据权利要求1所述的阶梯溢流坝宽尾墩尾部的防空化设施，其特征在于：还包括挑坎（61），过渡阶梯（62）的首级阶梯通过挑坎（61）连接宽尾墩（3）墩尾。
9.根据权利要求8所述的阶梯溢流坝宽尾墩尾部的防空化设施，其特征在于：所述挑坎（61）的角度θ为9°≤θ≤11.3°。
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