坝面消能工的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种坝面消能工，包括呈阶梯状分布在倾斜坝面上的多个凸台组，每个凸台组具有多个独立的凸台，上下相邻的凸台组的凸台相错位，凸台的顶面与坝面接合的区域略微下凹，凸台顶面的前缘为圆弧形，泄洪时部分水流经同一凸台组中相邻的凸台之间的坝面分散下泄，部分水流则跌落在凸台顶面之后呈扇形散开，向两侧散开的水流与相邻的凸台上形成的扇形分散流碰撞掺混，消去部分能量后，跌落至下一个凸台组，逐步形成表面有掺气水舌、底部有稳定含气漩滚、局部有水流分散和碰撞消能的滑掠分散破碎水流，其可更有效地提高坝面消能效率。
【专利说明】坝面消能工【技术领域】
[0001]本实用新型涉及溢流坝结构，特别是一种溢流坝的坝面消能工。
【背景技术】
[0002]水坝，是拦截江河渠道水流以抬高水位或调节流量的挡水建筑，其具有形成水库，抬高水位、调节径流、集中水头，用于防洪、供水、灌溉、水力发电、改善航运等作用，但水坝泄洪时水流高度集中，必须采取有效的消能方式对下泄的水流进行消能，否则，下泄洪流产生的巨大水能会对下游河床及周边环境造成不良影响。
[0003]在现有的消能方式中，通过修造坝面的结构进行消能是相当有效的方式，例如，传统的坝面常修造成糙率很小的光滑曲面，下泄水流90%以上的能量被输送到坝面末端集中进行底流消能，但采用底流消能时所需的消力池既深又长，消能防冲设施工程量大、造价闻。
[0004]为此，如图1、图2所示，现有技术出现了将坝面修造成内凹式连续阶阶梯状、或者外凸式不连续阶梯状的消能方式，其中，内凹式连续阶梯消能工多用于坡度较陡的坝面上，外凸式不连续阶梯消能工多用于坡度较缓的坝面上。通过阶梯对水流产生破碎作用，加剧了水流紊动和边界层的发展，使坝面阶梯上出现沿水平轴漩转的横向含气漩涡，主流受其衬垫，掠过各阶梯末端，逐步形成表面有掺气水舌、底部有稳定含气漩滚的阶梯坝面典型流态——滑掠水流，水流能量通过掺气、漩滚间的剪切作用和连续跌坎造成的强烈掺混作用得到消散，大大增加了坝面的消能率，从而减少下游余能，改善下游消力池的消能压力，有利于减少消力池的长度和深度，节省工程投资。但这两种台阶状的坝面消能工10，尚有不足之处:1、当单宽流量较大时 ，水舌厚度比台阶100高度大，掺气及稳定漩滚发生的位置靠下，滑掠水流发展不充分，致使 消能效率低下；2、对于中低坝、坝面流程短的情况，甚至无法形成稳定的滑掠水流，不能体现出坝面阶梯消能的优势；3、即使在正常运行条件下，该消能工亦有一定的优化提升空间，进一步减少下游消力池的工程量。
实用新型内容
[0005]本实用新型的目的在于提供一种消能效果更好的坝面消能工。
[0006]本实用新型所述的坝面消能工，包括呈阶梯状分布在倾斜坝面上的多个凸台组，每个凸台组具有多个独立的凸台，上下相邻的凸台组的凸台相错位，凸台的顶面与坝面接合的区域略微下凹，凸台顶面的前缘为圆弧形。
[0007]本实用新型在倾斜的坝面由上至下呈阶梯状设置多个凸台组，上下相邻的凸台组的凸台错位分布且其顶面的前缘呈圆弧形，其与现有的平直的阶梯消能工相比，圆弧形的前缘能有效增加掺气长度，增大了水流和空气的接触面，使泄流水舌表面掺气更充分，底缘含气漩滚更加稳定和完整，另外，凸台顶面与坝面的接合区域微凹，如同微型消力塘，形成的水垫层可减少跌流冲击，防止坝面空化；泄洪时部分水流经同一凸台组中相邻的凸台之间的坝面分散下泄，部分水流则跌落在凸台顶面之后呈扇形散开，向两侧散开的水流与相邻的凸台上形成的扇形分散流碰撞掺混，消去部分能量后，跌落至下一个凸台组，逐步形成表面有掺气水舌、底部有稳定含气漩滚、局部有水流分散和碰撞消能的滑掠分散破碎水流，其可更有效地提高坝面消能效率。
【专利附图】
【附图说明】
[0008]图1是现有的台阶状坝面消能工的俯视图。
[0009]图2是图1沿A-A方向的剖视图。
[0010]图3、图5是本实用新型的俯视图。
[0011]图4是图3沿B-B方向的剖视图。
[0012]图6是图5的侧视图。
【具体实施方式】
[0013]如图3至6所示，所述的坝面消能工，包括呈阶梯状分布在倾斜坝面I上的多个凸台组，每个凸台组具有多个独立的凸台2，上下相邻的凸台组的凸台2相错位，凸台2的顶面与坝面接合的区域略微下凹，凸台2顶面的前缘为圆弧形。其与现有的平直的阶梯消能工相比，圆弧形的前缘能有效增加掺气长度，增大了水流和空气的接触面，使泄流水舌表面掺气更充分，底缘含气漩滚更加稳定和完整，另外，凸台2顶面与坝面I的接合区域微凹，如同微型消力塘，形成的水垫层可减少跌流冲击，防止坝面空化；泄洪时部分水流经同一凸台组中相邻的凸台2之间的坝面分散下泄，部分水流则跌落在凸台顶面之后呈扇形散开，向两侧散开的水流与相邻的凸台2上形成的扇形分散流碰撞掺混，消去部分能量后，跌落至下一个凸台组，逐步形成表面有掺气水舌、底部有稳定含气漩滚、局部有水流分散和碰撞消能的滑掠分散破碎水流，其可更有效地提高坝面消能效率。
[0014]为进一步提高坝面消能工的消能效率，所述的凸台顶面的前部可设置为向上翘起。
[0015]如图3至6所示，由于分布在坝面上的凸台2的尺寸直接影响坝面沿程水深、流速、压强、掺气程度及消能效果等，因此，恰当地设置坝面上的凸台，可使下泄水流细化分散，形成更为稳定的掺气漩滚区和碰撞掺混区，而凸台尺寸选择与下泄单宽流量、坝高、坝面坡比i (即坡面的垂直高度和水平宽度的比)、消能效果有关，所以，其尺寸应当根据实际需求而设定。
[0016]其中，对于凸台2的跌坎高度a而言，跌坎高度a较大时，跌坎间的水流跌流落差相应增大，消能效果较佳；但在小流量泄流时，跌坎间的水流跌流波动较大，水流激溅现象较为明显。掺气及漩滚位置在凸台尺寸一定时，随下泄单宽流量的增加沿流向逐渐下移，所以，凸台的跌坎高度a应选择为0.5?1.Sm，具体高度可视泄流单宽流量而定。
[0017]对于凸台2顶面圆弧形的前缘的半径r而言，其应使同一凸台组相邻凸台2顶面上形成的扇形分散流可以相互撞击并且充分掺混。如半径r过小，凸台2的优势发挥不明显；而半径r过大，凸台2及扇形分散流的数量相对减少，主流不够分散破碎，影响流态的稳定和消能效率。所以，凸台顶面圆弧形的前缘的半径r应按
r来设置，并根据坝面泄流特性调整。[0018]对于同一凸台组的相邻凸台之间的间距d而言，间距d同样对消能工个数和水流分散破碎程度有影响，按可按d= (0.2?0.5)r选取，并可随着凸台长度b的增大而适当增大。
[0019]对于凸台顶面前部上翘的角度β而言，β值越大，凸台2顶面与坝面相接区域下凹越明显，微型消力塘的水垫层越厚，凸台2两侧分流水量越大，参与局部碰撞的水量亦越大，消能效率越高；当单宽流量较大，坝面坡度较陡的情况下，为保证消能效果，β值应适当加大。上翘角度β可设为10°?25。，具体可根据坝面坡比1、单宽流量及消能效果等选定。
[0020]对于凸台2的长度b和相邻两凸台组的凸台前端的水平间距S而言，则应考虑坝面泄流特性、工程量和施工条件等确定，合理的长度b和间距S应为跌坎下游面内部产生低压漩涡、水流掺气较充分、工程量较省和施工方便等。按S > b > r选取(如图4所示，为S=b的情况，如图6所示，则为S>b的情况)。当坝面坡度较陡时，间距S可适当小一些；当陡槽段坡度较缓时，为了适当增加阶梯间的落差，间距S可适当选择大一些。
[0021]与常规的阶梯坝面消能工相比，本实用新型的坝面消能工可使经坝面下泄的水流掺气更为充分，并可促进水流分散碰撞，增加水流间的剪切掺混，进一步提高坝面消能效率，对改善坝下冲刷、简化甚至取消掉坝面末端的消能设施具有显著成效，是一种经济实用，并对单宽流量的适应范围更大的新型坝面消能工。
【权利要求】
1.坝面消能工，其特征在于:包括呈阶梯状分布在倾斜坝面上的多个凸台组，每个凸台组具有多个独立的凸台，上下相邻的凸台组的凸台相错位，凸台的顶面与坝面接合的区域略微下凹，凸台顶面的前缘为圆弧形。
2.根据权利要求1所述的坝面消能工，其特征在于:凸台顶面的前部向上翘起。
3.根据权利要求2所述的坝面消能工，其特征在于:凸台顶面的前部向上翘起的角度β 为 10。~25。。
4.根据权利要求1所述的坝面消能工，其特征在于:凸台的跌坎高度a=0.5~1.Sm。
5.根据权利要求1所述的坝面消能工，其特征在于:凸台顶面圆弧形前缘的半径
6.根据权利要求5所述的坝面消能工，其特征在于:同一凸台组的相邻凸台之间的的间距d = (0.2~0.5) r，其中，r为凸台顶面圆弧形前缘的半径。
7.根据权利要求1所述的坝面消能工，其特征在于:凸台的长度b、相邻两凸台组的凸台前端的水平间距S以及凸台顶面圆弧形前缘的半径r这三者之间的尺寸关系为:S > b > r。
【文档编号】E02B8/06GK203475400SQ201320562560
【公开日】2014年3月12日 申请日期:2013年9月11日 优先权日:2013年9月11日
【发明者】王建平, 吴小明, 陈文龙, 何用, 何贞俊, 苏波, 张金明, 范群芳, 吕文斌 申请人:珠江水利委员会珠江水利科学研究院