1、图2所示，异型反台阶消力池由前端的跌坎1、底部的底板2、两侧的边墙3及末端的尾坎4组成。两侧边墙3为非对称分布且向河心侧呈曲面扩散，曲面扩散可以采用平面、圆弧面、椭圆弧面及多次曲面等形式，也可以是多种曲面的任意组合形式，由流态调整需要决定。其尾坎4设置成连续反台阶尾坎，由宽度随消力池边墙扩散而变化的台阶组成，台阶顺水流方向高程逐级升高，每阶台阶边缘布置成连续“L”型或锯齿形，使尾坎台阶进口处低、出口处高、河心侧低、近岸坡侧高，形成横向和纵向三维异型反台阶结构。三维异型反台阶结构中的台阶单元平面形状为梯型、三角形或不规则四边形。这里的台阶单元是指三维反台阶实体被“L”型或锯齿形边缘划分出的各个柱状实体结构，如图2中虚线框内分割出的柱状台阶实体结构所示。
[0018]水流与反台阶分层碰撞，并横向扩散，将主流偏向河心侧，出池前水流充分碰撞、掺混、紊动，在池内形成水跃消能流态，达到消能和调整流速分布的目的，并使出池水流平顺归槽。
[0019]异型反台阶消力池实施条件:当来流为低水头、大单宽、低Fr数水流状态，出口布置在岸边，进流均匀，出流水流与河道轴线存在夹角，其出口后地质条件差、可供消能区域空间小，岸坡易受影响。尤其是极大单宽流量(大于300m2/s)、极低Fr数(1~2)岸边过水流道，出口水流由于离心力作用很难横向扩散开、水体集中、下游冲刷严重的情况。此时，消力池进口与出口不等宽、不对称。首先根据地形、地质条件，确定消力池长度、出口宽度及偏向，然后设定纵横向反台阶尺寸、形状及排列方式，以满足消能、调速及平顺归槽的目的。一般的，阶数3~5阶，每阶高度2~4m。
[0020]实施例二
以某工程水工模型试验为例，消力池进口水流单宽流量399m2/s、Fr数为1.48，出口靠右岸岸坡D近(消力池靠右岸岸坡D —侧为近岸坡侧，靠左岸岸坡E —侧为河心侧)，右岸岸坡D为土坡地质，岸上为施工场地，出口基岩地质条件仅有80m左右，其后接深厚覆盖层地质条件。若采用传统的齿坎、分流墩、扭面等方式，很难将主流平顺归向河心，消能率极低，下游冲刷坑30m以上，防护代价很高。采用异型反台阶消力池，在较短池内形成完整稳定水跃消能，消能率高，出口流速大大降低，下游仅需局部防护，冲刷深度仅1m左右，两岸岸坡未受到影响。
[0021]异型反台阶消力池布置及体型示意图见图3 (a)、图3 (b)，进口跌坎高度6m ;左边墙3-1扩散角度24°，右侧边墙3-2扩散角度5° (根据具体工程实例，扩散角度大到扩散水流与边墙不产生分离现象为宜)；池末端尾坎4采用5级异型台阶，台阶边缘采用连续“L”型，底三层台阶高度均为3m，顶两层台阶高度均为4m。
[0022]经水工模型试验论证，本发明消能效果较好，下游归槽平顺，可满足工程需要。
[0023]本发明的异型反台阶消力池，其连续反台阶尾坎的顶部台阶可以顺水流方向延伸至消力池外，呈“舌头”状伸出，出池水流在此“舌头”交错跌落，具有观赏价值，特别是水体较薄时更为明显。“舌头”形状可为图4所示锯齿状，也可是鱼鳞状等别的形状。反台阶结构外形及水流流态可纳入枢纽景观。
【主权项】
1.一种异型反台阶整流消能方法，其特征是在消力池的末端设置连续反台阶尾坎，消力池两侧边墙非对称分布且向河心侧呈曲面扩散，将主流导向河心侧，连续反台阶尾坎由宽度随消力池边墙扩散而变化的多个台阶组成，台阶顺水流方向高程逐级升高，每阶台阶边缘布置成连续“L”型或锯齿形，形成进口处低、出口处高、河心侧低、近岸坡侧高的横向和纵向三维异型反台阶结构，与来流分层碰撞，分层消减水流能量，同时使水流横向充分扩散并将主流导向河心侧，水流在池内充分掺混、紊动，促使池内形成稳定水跃消能流态，实现整流消能及岸边泄水流道出水水流平顺归槽的目的。
2.如权利要求1所述的异型反台阶整流消能方法，其特征是曲面的形式由流态调整需要决定，包括但不限于平面、圆弧面、椭圆弧面、多次曲面及他们的任意组合。
3.如权利要求1所述的异型反台阶整流消能方法，其特征是所述连续反台阶尾坎阶数为3~5阶。
4.如权利要求1所述的异型反台阶整流消能方法，其特征是所述连续反台阶尾坎单阶台阶高度为2~4m。
5.—种异型反台阶消力池，由前端的跌坎(1)、底部的底板(2)、两侧的边墙(3)及末端的尾坎(4)组成，其特征是所述消力池两侧边墙非对称分布且向河心侧呈曲面扩散，尾坎(4)采用连续反台阶，连续反台阶由宽度随消力池边墙扩散而变化的多个台阶组成，台阶顺水流方向高程逐级升高，每阶台阶边缘布置成连续“L”型或锯齿形，形成进口处低、出口处高、河心侧低、近岸坡侧高的横向和纵向三维异型反台阶结构。
6.如权利要求5所述的异型反台阶消力池，其特征是所述尾坎(4)阶数为3~5阶。
7.如权利要求5所述的异型反台阶消力池，其特征是所述尾坎(4)单阶台阶高度为2 ?4m ο
8.如权利要求5所述的异型反台阶消力池，其特征是曲面的形式由流态调整需要决定，包括但不限于平面、圆弧面、椭圆弧面、多次曲面及他们的任意组合。
9.如权利要求5所述的异型反台阶消力池，其特征是尾坎(4)的顶部台阶顺水流方向延伸至消力池外，呈舌头状伸出。
【专利摘要】本发明公开一种异型反台阶整流消能方法及消力池，利用底板上的连续反台阶尾坎代替传统尾坎体型，水流与反台阶分层碰撞，分层消减能量，增强出池前水流碰撞、掺混、紊动流态，实现碰撞消能；在前端进口设置跌坎；两侧边墙向河心侧曲面非对称扩散，每阶台阶边缘布置成连续“L”型或锯齿形的方式，形成进口处低、出口处高、河心侧低、近岸坡侧高的横向和纵向三维异型反台阶结构，强迫池内形成水跃消能流态。同时水流横向充分扩散并导向河心侧，可有效缩短池长，提高消能率，达到消能和调整流速分布的作用，使出池水流平顺归槽，减轻下游冲刷。本发明适用于低水头、大单宽流量（尤其大于300m2/s）、低Fr数（尤其Fr数<2）水流流态。
【IPC分类】E02B3-10
【公开号】CN104775393
【申请号】CN201510079732
【发明人】吴时强, 王芳芳, 吴修锋, 周杰, 王威, 戴江玉, 薛万云, 吴越杰, 陈惠玲
【申请人】水利部交通运输部国家能源局南京水利科学研究院, 河海大学
【公开日】2015年7月15日
【申请日】2015年2月13日