专利名称：倒坡式阶梯消能工的制作方法
技术领域：
本发明属于内流泄洪消能设施，特别涉及一种用于溢洪道(洞)或坝面溢流的阶梯消能工。
背景技术：
阶梯的消能方式属内流消能，因其结构特殊性导致水流结构改变，加之边界糙率的影响，水流自身紊动增强，易形成旋滚，带动产生能量耗散涡，极易实现势能向紊动能及热能的转化，消能效果好；并且其实用性强，所需经济成本低、施工方便、便于检修，因此，发展前景十分广阔。传统均匀连续“一”形阶梯(简称传统阶梯)在实际工程应用中受到普遍好评，但是随着我国水利工程的发展，传统阶梯的适应性变差，其弊端逐渐显现。分析原因，近10年来，我国的大型水利工程均呈现高坝大库的特征，与之对应在泄洪消能环节的要求及难度越来越大，据统计表明，传统阶梯用于下泄单宽流量在50m3/s-m以上的水流时，存在以下不足1、消能率明显下降，沿程消除大部分势能的优势明显弱化；2、下泄流量增大，阶 梯面上水流经过时流速迅速增大，由能量守恒便知，压强锐减，这一趋势使空蚀破坏发生的可能性陡增。
发明内容
本发明的目的是提供一种倒坡式阶梯消能工，以改善水流结构，增强消能效果，降低空蚀破坏的发生。本发明的技术方案对传统“一”形阶梯进行改进，将其水平上表面(坡比I1=O)改变为倒坡面(坡比^〈0)，竖直面保持不变。本发明所述倒坡式阶梯消能工，包括紧接进水口的顺直段、与顺直段相接的倒坡式阶梯段，所述倒坡式阶梯段由多级倒坡式阶梯组成，所述倒坡式阶梯是上表面为倒坡面的阶梯(其侧面仍然为竖直面)，倒坡式阶梯段的底坡坡度与顺直段的底坡坡度相同，顺直段的长度倒坡式阶梯段的长度=1 Γιο.,本发明所述倒坡式阶梯消能工，可在顺直段增设前置掺气坎，以提高抗空蚀破坏的能力。上述倒坡式阶梯消能工，其各级倒坡式阶梯的水平投影长度和高度相同，其水平投影长度L1 =0. 4 18m，其高度Ii1 =0. 5 3m。上述倒坡式阶梯消能工，其各级倒坡式阶梯的倒坡面坡比I1相同，优选为一
(1:0. 8) ( I1(1:20)。试验表明，上述倒坡式阶梯消能工的倒坡式阶梯段和顺直段的底坡坡度θ=8 65°。本发明具有以下有益效果I、本发明所述倒坡式阶梯消能工与传统阶梯消能工相比，由于单级阶梯的水平投影长度缩短，阶梯凸角被锐化(见图5、图6)，因而相对于阶梯段桩号间距离相同、单级阶梯等宽及等高的传统阶梯消能工，沿程阶梯级数增加，沿程糙率相应加大，单级阶梯上的能量损耗明显提高，消能率沿程逐级累加，试验表明，消能率至少提高59Γ20%2、本发明所述倒坡式阶梯的倒坡面具有挑坎的作用，使得水流冲击倒坡面入射夹角变大(见图5、图6)，动能冲击更加剧烈，冲击动能转化为水流内部紊动能的转化率提高，因而使得水流内部紊动增强，形成耗散涡的机率加大，整体消能率增强。3、本发明所述倒坡式阶梯消能工结构简单，施工可操作性强，体型容易优化，只需通过调节倒坡式阶梯的倒坡面坡比，就可适应不同的实际水工工程。4、本发明所述倒坡式阶梯消能工，在来流较小的情况下，仅该结构本身就能满足工程需求；随着来流的增加，配合前置掺气坎可保护前几级易发生空蚀破坏的阶梯，使其抗空蚀的能力增强，适用范围增大。
图I是本发明所述倒坡式阶梯消能工的第一种结构示意图；图2是图I的俯视图；图3是本发明所述倒坡式阶梯消能工的第二种结构示意图，顺直段上设置有前置掺气坎；图4是图3的俯视图；图5是本发明所述倒坡式阶梯消能工的消能机理示意图；图6是传统“一”形阶梯消能工的消能机理示意图。图中，I一顺直段、2—倒坡式阶梯段、3—水面线、4一边墙、5—倒坡式阶梯、6—前置掺气坎、7—倒坡面、8—倒坡式阶梯的凸角、Θ—倒坡式阶梯段和顺直段的底坡倾角、L1 一倒坡式阶梯的水平投影长度、Ii1 一倒坡式阶梯的高度、I1 一倒坡面坡比、i2—前置掺气坎坡比、h2—前置掺气坎高度、L2—传统“一”形阶梯的水平长度、h3—传统“一”形阶梯的高度、β i一倒坡式阶梯的倒坡面上的水流入射角、β 2—传统“一”形阶梯的水平面上的水流入射角、B—溢洪道或坝面溢流宽度(阶梯宽度)。
具体实施例方式下面通过实施例对本发明所述倒坡式阶梯消能工作进一步说明。下述各实施例根据某水电站枢纽工程设计，所述电站集水面积为5100km2，厂址控制集水面积为5870 km2。电站溢洪道最大工作水头160m，最大下泄流量IllOmVs,设计溢洪道或坝面溢流宽度B =IOm,最大单宽流量lllm3/s.m。实施例I本实施例中，异形阶梯消能工的结构如图I、图2所示，包括紧接进水口的顺直段1，与顺直段相接的倒坡式阶梯段2，所述顺直段I桩号间距离17m，所述倒坡式阶梯段2桩号间距离90m，倒坡式阶梯段和顺直段的底坡坡度相同，其底坡的倾角Θ为18. 4°，单宽流量100m3/s. m。所述倒坡式阶梯段2由12级倒坡式阶梯5组成，组成倒坡式阶梯段的各级倒坡式阶梯的水平长度和高度相同，倒坡面的坡比I1相同，其水平投影长度L1 =7. 5m，其高度 Ii1 =2. 5m,倒坡面坡比 Ii1= — (1:3) ο试验测试表明与同等体型的“一”形传统阶梯相比(下泄单宽流量为lOOmVs.m)，本实施例中的倒坡式阶梯消能工的整体流态稳定，消能率提高8%，约为83%。实施例2本实施例中，异形阶梯消能工的结构如图3、图4所示。与实施例I不同之处是在顺直段I上设置有前置掺气坎4。所述前置掺气坎设置在距离第I级倒坡式阶梯起点7m处，其坡比为i2 =1:3，其侧面垂直于顺直段，高度h2 =0.5m。试验测试表明与同等体型的“一”形传统阶梯相比(下泄单宽流量为lOOmVs.m)，本实施例中的倒坡式阶梯消能工的整体流态稳定，消能率提高12%，约为87%，前3飞级阶梯空蚀破坏情况明显改善，负压值减小30%。实施例3本实施例中，异形阶梯消能工的结构如图I、图2所示，包括紧接进水口的顺直段1，与顺直段相接的倒坡式阶梯段2，所述顺直段I桩号间距离6m，所述倒坡式阶梯段2桩号间距离36m，倒坡式阶梯段和顺直段的底坡坡度相同，其底坡的倾角Θ为45°，单宽流量IOOmVs. m。所述倒坡式阶梯段2由12级倒坡式阶梯5组成，组成倒坡式阶梯段的各级倒坡式阶梯的水平长度和高度相同，倒坡面7的坡比I1相同，其水平投影长度L1 =3m，其高度Ii1 =3m,倒坡面坡比 I1= — (1:20)。试验测试表明与同等体型的“一”形传统阶梯相比(下泄单宽流量为lOOmVs.m)， 本实施例中的倒坡式阶梯消能工的整体流态稳定，消能率提高5%，约为80%。
权利要求
1.一种倒坡式阶梯消能工，包括紧接进水口的顺直段(I)，其特征在于还包括与顺直段相接的倒坡式阶梯段(2)，所述倒坡式阶梯段(2)由多级倒坡式阶梯(5)组成，所述倒坡式阶梯是上表面(7 )为倒坡面的阶梯，倒坡式阶梯段(2 )的底坡坡度与顺直段(I)的底坡坡度相同，顺直段的长度倒坡式阶梯段的长度=1 Γιο。
2.根据权利要求I所述倒坡式阶梯消能工，其特征在于组成倒坡式阶梯段的各级倒坡式阶梯的水平投影长度和高度相同，其水平投影长度L1 =0. Γ 8πι，其高度Ii1 =0. 5 3m。
3.根据权利要求I或2所述倒坡式阶梯消能工，其特征在于组成倒坡式阶梯段的各级倒坡式阶梯的倒坡面坡比I1相同，为—(1:0.8) ^ I1 (1:20)。
4.根据权利要求I或2所述倒坡式阶梯消能工，其特征在于倒坡式阶梯段(2)和顺直段(I)的底坡倾角θ=8 65°。
5.根据权利要求3所述倒坡式阶梯消能工，其特征在于倒坡式阶梯段(2)和顺直段(I)的底坡倾角θ=8 65°。
6.根据权利要求I或2所述倒坡式阶梯消能工，其特征在于所述顺直段(I)上设置有前置掺气坎(4)。
7.根据权利要求3所述倒坡式阶梯消能工，其特征在于所述顺直段(I)上设置有前置掺气坎(4)。
8.根据权利要求4所述倒坡式阶梯消能工，其特征在于所述顺直段(I)上设置有前置掺气坎(4)。
9.根据权利要求5所述倒坡式阶梯消能工，其特征在于所述顺直段(I)上设置有前置掺气坎(4)。
全文摘要
一种倒坡式阶梯消能工，包括紧接进水口的顺直段、与顺直段相接的倒坡式阶梯段，所述倒坡式阶梯段由多级倒坡式阶梯组成，所述倒坡式阶梯是上表面为倒坡面的阶梯，倒坡式阶梯段的底坡坡度与顺直段的底坡坡度相同，组成倒坡式阶梯段的各级倒坡式阶梯的水平投影长度和高度相同，其水平投影长度L1 =0.4~18m，其高度h1 =0.5~3m。可在顺直段上设置有前置掺气坎，以提高抗空蚀破坏的能力。
文档编号E02B8/06GK102720171SQ20121016450
公开日2012年10月10日 申请日期2012年5月24日 优先权日2012年5月24日
发明者余飞, 刘善均, 周茂林, 崔瑞, 张建民, 张法星, 曲景学, 王韦, 田忠, 聂境, 许唯临, 邓军 申请人:四川大学