专利名称：前置掺气装置的阶梯消能工的制作方法
技术领域：
本发明属于水利水电工程中的消能设施，特别涉及一种用于溢洪道或坝面溢流的阶 梯消能工。
背景技术：
工程实践表明，在大流量和高水头情况下(单宽流量q〉50m"s-m)，阶梯消能工的 消能率将下降，通气难、易空化、并可能产生空蚀破坏，故其应用范围受到较大限制， 实际工程中阶梯式消能工的单宽流量均小于50m3/s-m。为了增大阶梯式消能工的应用范 围， 一些学者把具有充分扩散而无空蚀之虑的掺气分流墩与阶梯式消能工相结合，充分 利用掺气分流墩的水流分散及强掺气作用，大幅度减小阶梯坝面滑移水流的深度，强化 阶梯消能效果，从而达到增大单宽流量、提高水头应用范围的目的，这种强迫掺气型式 尚存在分流墩处水翅过高，下游水流流态较差等问题。也有学者把宽尾墩和阶梯式消能 工相结合，充分利用宽尾墩水流垂向扩散，减小台阶过流单宽流量，加强挑流水舌两侧 掺气和水舌入水掺气作用，弱化阶梯消能效果，从而达到增大单宽流量、提高水头应用 范围的目的，这种型式主要利用宽尾墩对水流的垂向扩散作用，实质是挑流消能的一种 消能型式，台阶本身只在小单宽流量水流不易起跳时发挥作用。Michael Pfister, WilliH. Hager(2006)曾研究过在表面自掺气到达底部之前的第一级台阶下设置通气孔已达到保 护前几级台阶的形式，但是这种前置掺气型式存在掺气量和掺气浓度不易控制或需要附 加供气设备等问题。
发明内容
1本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种无需附加供气设备完全依靠水流 自身增加掺气效果的前置掺气装置的阶梯消能工，此种消能工能有效地解决阶梯式消能 工(应用在溢洪道或坝面)在大单宽流量运行时，增加消能率与改善抗空蚀破坏之间存 在矛盾的技术难题。
本发明所述前置掺气装置的阶梯消能工，是在现有阶梯消能工的上游适当位置(实 际工程中可在流速20m/s左右处)增设掺气装置。所述掺气装置有四种结构形式。
第一种结构形式掺气装置由挑坎、通气孔和通气井构成；挑坎设置在溢洪道或坝 面溢流的底坡上，其形状为"楔块"状，其后端面与阶梯中第一阶梯前端之间的距离 Lo以满足水流的落点在第一阶梯之前为限(保证水流的流态稳定)；通气孔位于溢洪道 或坝面溢流边墙上且紧靠挑坎后端面，通气井位于溢洪道或坝面溢流边墙的外侧，其上 端与大气相通，其下端与通气孔连通。
第二种结构形式掺气装置由挑坎、掺气槽、通气孔和通气井构成；挑坎设置在溢 洪道或坝面溢流的底坡上，其形状为"楔块"状，其后端面与阶梯中第一阶梯前端之间 的距离U以满足水流的落点在第一阶梯之前为限(保证水流的流态稳定)；掺气槽位于 溢洪道或坝面溢流底坡上且紧靠挑坎后端面；通气孔位于溢洪道或坝面溢流边墙上且紧 靠挑坎后端面，通气井位于溢洪道或坝面溢流边墙的外侧，其上端与大气相通，其下端 与通气孔连通。
第三种结构形式掺气装置由挑坎、跌坎、通气孔和通气井构成；挑坎设置在溢洪 道或坝面溢流的底坡上，其形状为"楔块"状，其后端面与阶梯中第一阶梯前端之间的 距离Lo以满足水流的落点在第一阶梯之前为限(保证水流的流态稳定)；跌坎位于溢洪 道或坝面溢流底坡且在挑坎之下；通气孔位于溢洪道或坝面溢流边墙上且紧靠挑坎后端 面，通气井位于溢洪道或坝面溢流边墙的外侧，其上端与大气相通，其下端与通气孔连 通。
第四种结构形式掺气装置由挑坎、跌坎、掺气槽、通气孔和通气井构成；挑坎设 置在溢洪道或坝面溢流的底坡上，其形状为"楔块"状，其后端面与阶梯中第一阶梯前 端之间的距离Lo以满足水流的落点在第一阶梯之前为限(保证水流的流态稳定)；跌坎 位于溢洪道或坝面溢流底坡且在挑坎之下；掺气槽位于溢洪道或坝面溢流底坡上且在跌 坎下方；通气孔位于溢洪道或坝面溢流边墙上且紧靠挑坎后端面，通气井位于溢洪道或 坝面溢流边墙的外侧，其上端与大气相通，其下端与通气孔连通。
上述掺气装置中，挑坎的坡度1一般为0<<1 : 3。
本发明所述前置掺气装置的阶梯消能工的掺气减蚀机理对于一般的阶梯式消能 工，其前面几级台阶水流流速较低，表面掺气不能到达溢洪道或坝面溢流底部，尤其是 单宽流量较大时溢洪道或坝面溢流底部掺气浓度更低，而台阶竖直面负压一般较大，较 低的掺气浓度不能有效保护台阶面，因此产生空蚀破坏。另一方面，前几级台阶的消能 效果也较差。在阶梯式消能工的上游适当位置设置掺气装置，可在阶梯前形成稳定的掺 气空腔并将空气导入该掺气空腔，这样显著增加了溢洪道或坝面溢流底部前几级阶梯台
阶处的掺气浓度，因而可加强台阶面的掺气保护作用，减轻或避免台阶发生空蚀破坏的 可能性。同时，可大大提高台阶消能率。
本发明所述消能工中的掺气装置，根据阶梯台阶高度初步确定的掺气浓度进行设 计，通过调整掺气装置的结构和尺寸可控制溢洪道或坝面溢流底部的掺气浓度。
本发明具有以下有益效果
1、 本发明所述消能工将掺气装置与阶梯式消能工相组合，既可提高台阶消能率， 又能减轻或避免台阶发生空蚀破坏的可能性，有效解决了溢洪道或坝面溢流在大单宽流 量运行时，增加消能率与改善抗空蚀破坏之间存在矛盾的难题。
2、 本发明所述消能工结构简单，体型优化容易，可广泛使用在不同流量和不同坡 度的溢洪道或坝面溢流。
3、 本发明所述消能工可通过调整掺气装置的结构和尺寸控制溢洪道或坝面溢流底 部的惨气浓度，因此掺气量和掺气浓度易于控制。
4、 本发明所述消能工，由于控制了挑坎后端面与阶梯中第一阶梯前端之间的距离 Lo的长度，使其满足水流的落点在第一阶梯之前，因而能保证水流的流态稳定。
5、 本发明所述消能工通过通气井、通气孔将空气导入掺气空腔，不需要附加供气 设备，因而可节约投资。
图1是本发明所述前置掺气装置的阶梯消能工的第一种结构示意图，掺气装置由挑 坎、通气孔和通气井构成，阶梯在原来的坡度下水平一段距离L，再垂直跌落h，如此 交替排列；
图2是图1的俯视图3是本发明所述前置掺气装置的阶梯消能工的第二种结构示意图，掺气装置由挑 坎、通气孔和通气井构成，阶梯在原来的坡度下垂直跌落h,再水平一段距离L，如此 交替排列；
图4是图3的俯视图5是本发明所述前置掺气装置的阶梯消能工的第三种结构示意图，掺气装置由挑 坎、掺气槽、通气孔和通气井构成，阶梯在原来的坡度下水平一段距离L，再垂直跌落
h,如此交替排列；
图6是图5的俯视图;
图7是本发明所述前置掺气装置的阶梯消能工的第四种结构示意图，掺气装置由挑
坎、掺气槽、通气孔和通气井构成，阶梯在原来的坡度下垂直跌落h，再水平一段距离
L，如此交替排列；
图8是图7的俯视图9是本发明所述前置掺气装置的阶梯消能工的第五种结构示意图，掺气装置由挑 坎、跌坎、通气孔和通气井构成，阶梯在原来的坡度下水平一段距离L，再垂直跌落h， 如此交替排列；
图10是图9的俯视图11是本发明所述前置掺气装置的阶梯消能工的第六种结构示意图，掺气装置由 挑坎、跌坎、通气孔和通气井构成，阶梯在原来的坡度下垂直跌落h,再水平一段距离 L，如此交替排列；
图12是图11的俯视图13是本发明所述前置掺气装置的阶梯消能工的第七种结构示意图，掺气装置由 挑坎、跌坎、掺气槽、通气孔和通气井构成，阶梯在原来的坡度下水平一段距离L，再 垂直跌落h，如此交替排列；
图14是图13的俯视图15是本发明所述前置掺气装置的阶梯消能工的第八种结构示意图，掺气装置由 挑坎、跌坎、掺气槽、通气孔和通气井构成，阶梯在原来的坡度下垂直跌落h，再水平 一段距离L，如此交替排列；
图16是图15的俯视图。
图中，1——底坡、2——挑坎、3——通气孔、4——阶梯、5——水面线、6——边 墙、7——通气井、8——掺气槽、9——跌坎、i——挑坎坡度、^~~溢洪道或坝面溢流 坡度、A,——挑坎高度、A2——跌坎高度、A——掺气槽槽深、L—阶梯长度、h— 一阶梯高度、LQ——挑坎后端面与阶梯中第一阶梯前端之间的距离、m—通气井长度、 n——通气井宽度。
具体实施例方式
实施例l
本实施例中的前置掺气装置的阶梯消能工用于电站工程枢纽，电站集水面积为 5317km2，厂址控制集水面积为5754 km2。电站溢洪道最大工作水头140m，最大下泄流 量760mVs，设计溢洪道宽度10m，底坡坡度0为18。，最大单宽流量76 mVs.m。
本实施例中的前置掺气装置的阶梯消能工，其结构如图3、图4所示，包括设置在 溢洪道底坡1上的阶梯4和位于阶梯上游的掺气装置。掺气装置由挑坎2、通气孔3和 通气井7构成；挑坎2设置在溢洪道的底坡1上，其形状为"楔块"状，其坡度i为1 : 5, 其高度A尸lm，其后端面与阶梯中第一阶梯前端之间的距离LQ=40m;通气孔3为两个， 分别位于溢洪道两边墙6上且紧靠挑坎2后端面，通气孔尺寸为1.85mX1.5m:通气井 7为两个，分别位于溢洪道两边墙的外侧，其上端与大气相通，其下端与对应的通气孔 连通，通气井的尺寸为mXn =1.5mX1.5m。阶梯4在原来的坡度下垂直跌落h，再水 平一段距离L，如此交替排列，阶梯高度h-1.5m，长度L-4.5m。
试验测试表明，本实施例中的消能工能保护阶梯台阶表面，避免发生空蚀破坏，消 能率约为70%。
阶梯4还可采用在原来的坡度下水平一段距离L，再垂直跌落h交替排列的结构， 如图l、图2所示。 实施例2
本实施例中的前置掺气装置的阶梯消能工用于单宽流量50 70 m3/s.m、坝面溢流 底坡坡度0为13。的水电工程枢纽。
本实施例中的前置掺气装置的阶梯消能工，其结构如图7、图8所示，包括设置在 坝面溢流底坡l上的阶梯4和位于阶梯上游的掺气装置。掺气装置由挑坎2、掺气槽8、 通气孔3和通气井7构成；挑坎2设置在坝面溢流的底坡1上，其形状为"楔块"状， 其坡度i为l:10,其高度A^0.5m，其后端面与阶梯中第一阶梯前端之间的距离Lo二 42m;掺气槽8位于坝面溢流底坡且在挑坎2之下，槽深A-1.5m，其范围为a、 b、 c、 d围成的区域；通气孔3为两个，分别位于坝面溢流两边墙6上且紧靠挑坎2后端面， 通气孔尺寸为1.5mX1.5m;通气井7为两个，分别位于坝面溢流两边墙6的外侧，其 上端与大气相通，其下端与对应的通气孔连通，通气井的尺寸为mXn =1.5mX1.5m。 阶梯4在原来的坡度下垂直跌落h，再水平一段距离L，如此交替排列，阶梯高度h二 2m,长度L^9m。
阶梯4还可采用在原来的坡度下水平一段距离L,再垂直跌落h交替排列的结构， 如图5、图6所示。
实施例3
本实施例中的前置掺气装置的阶梯消能工用于单宽流量50 70 m3/s.m、溢洪道底 坡坡度0为15。的水电工程枢纽。
本实施例中的前置掺气装置的阶梯消能工，其结构如图ll、图12所示，包括设置 在溢洪道底坡1上的阶梯4和位于阶梯上游的掺气装置。掺气装置由挑坎2、跌坎9、 通气孔3和通气井7构成；挑坎2设置在溢洪道的底坡1上，其形状为"楔块"状，其 坡度i为1 : 10，其高度Af0.5m,其后端面与阶梯中第一阶梯前端之间的距离L0= 39.78m;跌坎9位于溢洪道底坡且在挑坎2之下，跌坎高度A^1.5m;通气孔3为两个， 分别位于溢洪道两边墙6上且紧靠挑坎2后端面，通气孔尺寸为1.85mX1.5m;通气井 7为两个，分别位于溢洪道两边墙的外侧，其上端与大气相通，其下端与对应的通气孔 连通，通气井的尺寸为mXn =1.85mX1.5m。阶梯4在原来的坡度下垂直跌落h,再 水平一段距离L，如此交替排列，阶梯高度h^2m，长度L二7.5m。
试验测试表明，本实施例中的消能工可使表面掺气浓度达到5%~9%,能保护阶梯 台阶表面，避免其发生空蚀破坏，消能率约为70%。
阶梯4还可采用在原来的坡度下水平一段距离L，再垂直跌落h交替排列的结构， 如图9、图IO所示。
实施例4
本实施例中的前置掺气装置的阶梯消能工用于单宽流量50 70 m3/s.m、坝面溢流 底坡坡度^为14。的水电工程枢纽。
本实施例中的前置掺气装置的阶梯消能工，其结构如图15、图16所示，包括设置 在坝面溢流底坡1上的阶梯4和位于阶梯上游的掺气装置。掺气装置由挑坎2、跌坎9、 掺气槽8、通气孔3和通气井7构成；挑坎2设萱在坝面溢流的底坡1上，其形状为"楔 块"状，其坡度i为l:8，其高度A产0.5m，其后端面与阶梯中第一阶梯前端之间的距 离L。^40m;跌坎9位于坝面溢流底坡且在挑坎2之下，跌坎高度A2-0.5m;掺气槽8 位于跌坎9下方，槽深A4m，其范围为a、 b、 c、 d围成的区域；通气孔3为两个，分 别位于坝面溢流两边墙6上且紧靠挑坎2后端面，通气孔尺寸为2.0mX1.5m;通气井7 为两个，分别位于坝面溢流两边墙6的外侧，其上端与大气相通，其下端与对应的通气 孔连通，通气井的尺寸为mXn =2.0mX1.5m。阶梯4在原来的坡度下垂直跌落h,再 水平一段距离L，如此交替排列，阶梯高度h二1.5m，长度L二6m。
阶梯4还可采用在原来的坡度下水平一段距离L，再垂直跌落h交替排列的结构， 如图13、图14所示。
权利要求
1、一种前置掺气装置的阶梯消能工，包括设置在底坡(1)上的阶梯(4)，其特征在于还包括位于阶梯上游的掺气装置，所述掺气装置包括挑坎(2)、通气孔(3)和通气井(7)，挑坎(2)设置在溢洪道或坝面溢流的底坡(1)上，其形状为“楔块”状，其后端面与阶梯(4)中第一阶梯前端之间的距离L0以满足水流的落点在第一阶梯之前为限，通气孔(3)位于溢洪道或坝面溢流边墙(6)上且紧靠挑坎(2)后端面，通气井(7)位于溢洪道或坝面溢流边墙的外侧，其上端与大气相通，其下端与通气孔(3)连通。
2、 根据权利要求1所述的前置掺气装置的阶梯消能工，其特征在于掺气装置还包 括掺气槽(8)，掺气槽(8)位于溢洪道或坝面溢流底坡(1)上且紧靠挑坎(2)后端面。
3、 根据权利要求1所述的前置掺气装置的阶梯消能工，其特征在于掺气装置还包 括跌坎(9)，跌坎(9)位于溢洪道或坝面溢流底坡(1)且在挑坎(2)之下。
4、 根据权利要求3所述的前置掺气装置的阶梯消能工，其特征在于掺气装置还包 括掺气槽(8),掺气槽(8)位于溢洪道或坝面溢流底坡(1)上且在跌坎(9)下方。
5、 根据权利要求1至4中任一权利要求所述的前置掺气装置的阶梯消能工，其特 征在于挑坎(2)的坡度i为(Xi〈1 : 3。
全文摘要
一种前置掺气装置的阶梯消能工，包括设置在底坡上的阶梯及位于阶梯上游的掺气装置。所述掺气装置有四种结构形式，第一种结构形式由挑坎、通气孔和通气井构成，第二种结构形式由挑坎、掺气槽、通气孔和通气井构成，第三种结构形式由挑坎、跌坎、通气孔和通气井构成，第四种结构形式由挑坎、跌坎、掺气槽、通气孔和通气井构成。此种消能工既可提高台阶消能率，又能减轻或避免台阶发生空蚀破坏的可能性，有效解决了溢洪道或坝面溢流在大单宽流量运行时，增加消能率与改善抗空蚀破坏之间存在矛盾的难题。
文档编号E02B8/06GK101195999SQ20071005034
公开日2008年6月11日 申请日期2007年10月30日 优先权日2007年10月30日
发明者刘善均, 张建民, 张毅驰, 勇 彭, 曲景学, 李贵吉, 韦 王, 许唯临, 军 邓 申请人:四川大学