CN109281294B - 一种可调节掺气消能的反弧阶梯型溢流坝 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及水利设施技术领域，提供一种可调节掺气消能的反弧阶梯型溢流坝，包括：所述反弧阶梯型溢流坝的迎水面为垂直面；所述反弧阶梯型溢流坝的过水面包括n个依次连接的阶梯面；其中，第一个阶梯面包括第一WES溢流段和与第一WES溢流段连接的反弧曲面；所述第一WES溢流段包括：依次连接的第一弧型曲面、第二弧型曲面、第三弧型曲面和幂曲面；除第一个阶梯面外的阶梯面包括第二WES溢流段和与第二WES溢流段连接的反弧曲面；所述第二WES溢流段包括依次连接的第二弧型曲面、第三弧型曲面和幂曲面；每个阶梯面的幂曲面与对应的反弧曲面连接。本发明能够减小阶梯溢流坝空蚀破坏风险、提高消能率和增大水中掺气量。
Description
技术领域
本发明涉及水利设施技术领域，尤其涉及一种可调节掺气消能的反弧阶梯型溢流坝。
背景技术
随着我国水电工程的高速发展，大单宽流量下的高坝泄洪成为一项重要的研究方向。阶梯消能工具有结构简单、施工快捷、造价较低、在一定的单宽流量范围内消能率高和掺气充分等特点，可广泛应用于中小单宽流量的水电工程。
然而，传统的直角阶梯溢流坝结构会使大单宽流量下水流扰动作用减弱，导致消能和掺气效果降低，容易在阶梯面上产生大范围的掺气盲区，增大阶梯面的空蚀风险。
此外，对于城市内陆河道，由于工业废水和生活污水的大量排入，导致河水污染严重，城市内陆河道水流速度较慢，水中溶解氧含量严重不足，水体自净能力受到限制，极大地影响城市整体形象。若使用传统直角阶梯拦水坝增加水中掺气量，则由于水流在坝面滞留时间较短，增氧效果有限。
发明内容
本发明主要解决现有技术阶梯溢流坝具有空蚀风险以及增加水中掺气量有限等技术问题，本发明提出一种水利工程中新型消能工或者环保领域中的可调节掺气消能的反弧阶梯型溢流坝，具有n个WES溢流面和n个反弧面的反弧阶梯溢流坝，兼具泄洪消能和掺气复氧功能，能够减小阶梯结构空蚀破坏风险、提高消能率和增大水中掺气量。本发明既可应用于高水头泄洪消能，也可应用于低水头内陆河道生态景观溢流坝。
本发明提供了一种可调节掺气消能的反弧阶梯型溢流坝，包括：
所述反弧阶梯型溢流坝的迎水面为垂直面；
所述反弧阶梯型溢流坝的过水面包括：n个依次连接的阶梯面；其中，第一个阶梯面包括第一WES溢流段和与第一WES溢流段连接的反弧曲面；所述第一WES溢流段包括：依次连接的第一弧型曲面、第二弧型曲面、第三弧型曲面和幂曲面；
除第一个阶梯面外的阶梯面包括第二WES溢流段和与第二WES溢流段连接的反弧曲面；所述第二WES溢流段包括依次连接的第二弧型曲面、第三弧型曲面和幂曲面；
每个阶梯面的幂曲面与对应的反弧曲面连接；n个阶梯面的反弧曲面的半径和挑角相同或者不同。
进一步的，所述第一弧型曲面的半径为：R1＝0.04H；
所述第二弧型曲面的半径为：R2＝0.2H；
所述第三弧型曲面的半径为：R3＝0.5H；
所述幂曲面的函数表达式为：
其中，R1表示第一弧型曲面的半径，R2表示第二弧型曲面的半径，R3表示第三弧型曲面的半径，H表示上游堰上水头，x表示阶梯型溢流坝所在坐标系的x轴坐标值，y表示阶梯型溢流坝所在坐标系的y轴坐标值。
进一步的，所述幂曲面与对应的反弧曲面平滑连接，连接点为二者的公共切点。
进一步的，所述反弧曲面的反弧半径为：
其中，rj表示第j反弧曲面的半径，j＝1、2、3、…、n，H表示上游堰上水头，xj表示第j反弧曲面的x轴坐标值。
进一步的，反弧曲面的上游圆心角和下游圆心角的角度范围分别为5°～45°。
进一步的，所述阶梯型溢流坝的总长度为：
其中，lj＝rj(sinαj+sinβj)，X0表示阶梯型溢流坝的总长度，j表示阶梯序号，j＝1、2…、n；lj表示第j个反弧曲面的长度。
进一步的，所述阶梯型溢流坝的总高度为：
其中，
wj＝rj(1-cosβj)；
w'j＝rj(1-cosαj)
其中，i＝2、3、…、n，Y0表示阶梯型溢流坝的总高度，Y1表示第一WES溢流段的高度，Yi表示第i个WES溢流段的高度，xi表示第i个WES溢流段水平长度，wj表示第j个反弧曲面上游反弧高度；wj′表示第j个反弧曲面的出口高度。
本发明提供的一种可调节掺气的阶梯型溢流坝，基于减小阶梯结构空蚀破坏风险、提高消能率和增大水中掺气量的目的，将传统的直线阶梯面改为平滑的弧形阶梯面，将阶梯溢流坝分为n个WES溢流面和n个反弧曲面。
WES溢流面可使得水流平稳下泄，降低直角阶梯面易在边角产生空蚀破坏的风险。反弧曲面使得上游下泄水流平滑过渡，且在高水头大单宽流量时，可使得水流进入下一阶梯之前产生挑射水流，水流在挑射过程中消散大量动能，减小对下一阶梯面的冲击破坏。同时，在小单宽流量下，增大了水流在反弧面上的旋滚滞留时间，促进水中大量掺气，进而可增加污染水体的溶解氧含量，提高水体自净能力。
此外，本发明反弧阶梯溢流坝形态新颖，过坝水流流态多变，兼具一定的景观效果。因此，本发明反弧阶梯型溢流坝即可适用于大单宽流量的泄洪消能，也可应用于内陆小单宽流量的城市生态景观溢流坝。
附图说明
图1为本发明的可调节掺气消能的反弧阶梯型溢流坝的侧面总结构图；
图2为本发明的第一WES溢流段的截面示意图；
图3为本发明的第一个阶梯面和第二个阶梯面的细部侧面图；
图4为本发明的跌流流态示意图；
图5为本发明的挑跌流流态示意图；
图6为本发明的挑流流态示意图；
图7为本发明的滑行水流流态示意图。
具体实施方式
为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容。
图1为本发明可调节掺气消能的反弧阶梯型溢流坝的侧面总结构图。图2为本发明的第一WES溢流段的截面示意图。图3为本发明的第一个阶梯面和第二个阶梯面的细部侧面图。如图1～3所示，本发明实施例提供的可调节掺气的阶梯型溢流坝，包括：迎水面和过水面。
所述反弧阶梯型溢流坝的迎水面为垂直面；
所述反弧阶梯型溢流坝的过水面包括：n个依次连接的阶梯面；其中，第一个阶梯面包括第一WES溢流段和与第一WES溢流段连接的第一反弧曲面4；所述第一WES溢流段包括：依次连接的第一弧型曲面1、第二弧型曲面2、第三弧型曲面3和幂曲面9；第一个阶梯面的幂曲面9与对应的第一反弧曲面4连接。
除第一个阶梯面外的阶梯面包括第二WES溢流段和与第二WES溢流段连接的反弧曲面；所述第二WES溢流段包括依次连接的第二弧型曲面2、第三弧型曲面3和幂曲面9；除第一个阶梯面外的阶梯面的幂曲面9也与对应的反弧曲面连接；n个阶梯面的反弧曲面的半径和挑角可相同或者不同，即本实施例阶梯型溢流坝自第一个阶梯面后，下游每个阶梯面的反弧曲面可根据实际情况选择与第一个阶梯面半径和挑角相同或者不同的反弧曲线，进而可根据溢流坝泄洪或者掺气复氧的需求，使得过坝水流呈现出连续跌流(参照图4)、间歇性挑跌流(参照图5)、连续挑流(参照图6)或者滑动水流流态(参照图7)。本实施例，以5个阶梯面为例(参照图1)，第二阶梯面中反弧曲面为第二反弧曲面5、第三阶梯面中反弧曲面为第三反弧曲面6、第四阶梯面中反弧曲面为第四反弧曲面7、第五阶梯面中反弧曲面为第五反弧曲面8。
以下给出本发明可调节掺气消能的反弧阶梯型溢流坝的各参数：
所述第一弧型曲面的半径为：R1＝0.04H；
所述第二弧型曲面的半径为：R2＝0.2H；
所述第三弧型曲面的半径为：R3＝0.5H；
所述幂曲面的函数表达式为：
其中，R1表示第一弧型曲面的半径，R2表示第二弧型曲面的半径，R3表示第三弧型曲面的半径，H表示上游堰上水头，x表示阶梯型溢流坝所在坐标系的x轴坐标值，y表示阶梯型溢流坝所在坐标系的y轴坐标值。
为了使得WES溢流段和反弧曲面水流平稳衔接，设计反弧曲面的起点与幂曲面(幂函数曲面)的交点为两条曲线的公共切点，也即设计反弧半径为幂函数曲线在交点处的曲率半径。
每一阶梯面的幂曲面9与反弧曲面平滑连接，连接点A为两段曲面的公共切点，以第一反弧曲面4为例，第一反弧曲面4的反弧半径r1的计算式为：
其中x1表示第一WES溢流段水平长度。第一WES溢流段水平长度x1可根据实际情况试算得到或者结合实际工程根据经验取值。
以此类推，根据幂函数曲线在xj处的曲率半径计算：
其中，rj表示第j反弧曲面的半径，j＝1、2、3、…、n，H表示上游堰上水头，xj表示第j反弧曲面的x轴坐标值。
反弧曲面上游圆心角由幂曲面和反弧曲面交点处的斜切角计算得出，具体如下：
其中，βj表示反弧曲面上游圆心角，j＝1,2,3…n。反弧曲面的上游圆心角的角度范围为5°～45°。
反弧曲面下游挑角αj可以根据溢洪道设计规范，并结合工程实际选取，建议αj的取值范围在5°～45°之间。反弧曲面上游圆心角βj和下游圆心角αj也可以选择相等或者不相等，具体可根据实际地形情况和来流量的范围确定，或者根据模型试验选择最优。
所述阶梯型溢流坝的总长度由xj、lj和总阶梯个数n决定，计算式为：
lj＝rj(sinαj+sinβj)
其中，X0表示阶梯型溢流坝的总长度，lj表示第j个反弧曲面的长度，j表示阶梯序号，j＝1、2…、n；xj可根据实际情况试算得到或者结合实际工程根据经验取值。除第一阶梯溢流段外，后续每个阶段溢流段长度xi(i＝2、3、…、n，为第i阶阶梯)或者反弧阶梯面长度li可选择与第一阶相等，即xi＝x1，li＝l1，也可选择与第一阶阶梯不相等，即xi≠x1，li≠l1，具体可根据实际情况选择。
所述阶梯型溢流坝的总高度可分段计算出，计算式为：
其中，
wj＝rj(1-cosβj)；
w'j＝rj(1-cosαj)
其中，j＝1、2、3、…、n，i＝2、3、…、n，Y0表示阶梯型溢流坝总高度，Y1表示第一WES溢流段的高度，Yi表示第i个WES溢流段的高度，xi表示第i个WES溢流段水平长度，wj表示第j个反弧曲面上游反弧高度；wj′表示第j个反弧曲面的出口高度。
另外，由于随着上游水头、阶梯之间高差、阶梯面水平长度的差别，本发明阶梯型溢流坝有可能出现跌流、挑跌流、挑流和滑行水流四种流态，其中挑流和挑跌流流态有助于提高消能率，跌流流态有助于增加水中掺气量，因此，设计时需根据工程目的设计不同的阶梯高差和阶梯面长度。
如果工程目的主要为泄洪消能，则设计流态应为挑流流态，为防止上游挑射水流越过下一阶阶梯面，WES溢流段和反弧曲面总长度应大于挑射水舌抛距，即设计水力条件需满足：
xi+li≥Lj(i＝2、3、…、n；j＝1、2、3、…、n)
其中Lj为阶梯面形成挑流时的抛距，用下式估算：
其中△Yi为上下游阶梯面之间高差，i＝2、3、4、…、n。计算式为：
Vj为第j阶反弧段出口流速。
在本实施例中，WES溢流段能够保证水流顺利下泄至反弧曲面，当来流单宽流量较大时，在反弧曲面产生挑射流，上一阶反弧曲面与下一阶阶梯面之间仍然用WES溢流坝面连接，使得大流量水流上部发生挑射流的同时，底部水流能够依然沿着堰面贴壁下泄至下一阶梯面，增大水舌垂向扩散程度，提高单级阶梯的消能率，依次类推，可提高大单宽流量泄洪条件下的消能效果，减小对下游河床的冲刷破坏。当来流较小时，由于每一阶反弧阶梯存在一定的反弧挑角，水流在反弧上滞留，受下泄水流贴壁冲击作用，可在每一阶梯面上形成局部紊动漩涡，紊动水体将大量空气卷吸进水体底部，提高水体自掺气浓度，可增大受污染河流中水体溶解氧含量，进而提高水体自净能力。同时，由于本发明结构体型全程为流线型结构，过坝水流随着来流量的变化呈现出不同的流态，兼具一定的景观效果。因此，本发明提出的WES溢流+反弧挑流的反弧阶梯型溢流坝即可用于大单宽流量泄洪消能，又可用于小流量城市内陆河道的生态景观坝，是一种多功能的新型多级挑流的阶梯型溢流坝。本发明每一阶溢流段和反弧曲面可用预制混凝土模块浇筑而成，混凝土模块制作之前需做好精确的设计计算。本发明既可适用于水利工程泄洪消能措施，也可适用于城市内陆河道的生态景观阶梯型溢流坝。
为了施工方便，建议每个阶梯面的WES溢流段和反弧曲面采用相同的曲线，便于模具加工制造，如果工程要求较高的话，可根据实际情况做成不同的溢流曲线和不同半径的反弧曲面。为了便于说明和限于篇幅，本实施例仅给出5个阶梯面，实际工程中可根据需要增减阶梯数量。本发明大部分参数的确定采用了经验值或者常规溢流坝和重力坝的设计标准，其中流速系数和溢流段水平长度需要根据模型试验确定，或者采用经验值估算，实际工程中可根据需要，在确保工程结构安全和过流能力不受影响的前提下，可对部分参数进行适当修正。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (7)
1.一种可调节掺气消能的反弧阶梯型溢流坝，其特征在于：
所述反弧阶梯型溢流坝的迎水面为垂直面；
所述反弧阶梯型溢流坝的过水面包括：n个依次连接的阶梯面；其中，第一个阶梯面包括第一WES溢流段和与第一WES溢流段连接的反弧曲面；所述第一WES溢流段包括：依次连接的第一弧型曲面、第二弧型曲面、第三弧型曲面和幂曲面；
除第一个阶梯面外的阶梯面包括第二WES溢流段和与第二WES溢流段连接的反弧曲面；所述第二WES溢流段包括依次连接的第二弧型曲面、第三弧型曲面和幂曲面；
每个阶梯面的幂曲面与对应的反弧曲面连接；n个阶梯面的反弧曲面的半径和挑角相同或者不同。
2.根据权利要求1所述的可调节掺气消能的反弧阶梯型溢流坝，其特征在于：
所述第一弧型曲面的半径为：R1＝0.04H；
所述第二弧型曲面的半径为：R2＝0.2H；
所述第三弧型曲面的半径为：R3＝0.5H；
所述幂曲面的函数表达式为：
其中，R1表示第一弧型曲面的半径，R2表示第二弧型曲面的半径，R3表示第三弧型曲面的半径，H表示上游堰上水头，x表示阶梯型溢流坝所在坐标系的x轴坐标值，y表示阶梯型溢流坝所在坐标系的y轴坐标值。
3.根据权利要求1所述的可调节掺气消能的反弧阶梯型溢流坝，其特征在于，所述幂曲面与对应的反弧曲面平滑连接，连接点为二者的公共切点。
4.根据权利要求3所述的可调节掺气消能的反弧阶梯型溢流坝，其特征在于，所述反弧曲面的反弧半径为：
其中，rj表示第j反弧曲面的半径，j＝1、2、3、…、n，H表示上游堰上水头，xj表示第j反弧曲面的x轴坐标值。
5.根据权利要求3所述的可调节掺气消能的反弧阶梯型溢流坝，其特征在于，所述反弧曲面的上游圆心角和下游圆心角的角度范围分别为5°～45°。
6.根据权利要求1-5任一项所述的可调节掺气消能的反弧阶梯型溢流坝，其特征在于：
所述阶梯型溢流坝的总长度为：
其中，lj＝rj(sinαj+sinβj)，X0表示阶梯型溢流坝的总长度，j表示阶梯序号，j＝1、2…、n；lj表示第j个反弧曲面的长度，xj表示第j反弧曲面的x轴坐标值。
7.根据权利要求1-5任一项所述的可调节掺气消能的反弧阶梯型溢流坝，其特征在于：
所述阶梯型溢流坝的总高度为：
其中，
wj＝rj(1-cosβj)；
w'j＝rj(1-cosαj)
其中，i＝2、3、…、n，Y0表示阶梯型溢流坝的总高度，Y1表示第一WES溢流段的高度，Yi表示第i个WES溢流段的高度，xi表示第i个WES溢流段水平长度，wj表示第j个反弧曲面上游反弧高度；wj′表示第j个反弧曲面的出口高度，βj表示反弧曲面上游圆心角。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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