專利名稱：倒坡式階梯消能工的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于內(nèi)流泄洪消能設(shè)施，特別涉及一種用于溢洪道(洞)或壩面溢流的階梯消能工。
背景技術(shù)：
階梯的消能方式屬內(nèi)流消能，因其結(jié)構(gòu)特殊性導(dǎo)致水流結(jié)構(gòu)改變，加之邊界糙率的影響，水流自身紊動(dòng)增強(qiáng)，易形成旋滾，帶動(dòng)產(chǎn)生能量耗散渦，極易實(shí)現(xiàn)勢(shì)能向紊動(dòng)能及熱能的轉(zhuǎn)化，消能效果好；并且其實(shí)用性強(qiáng)，所需經(jīng)濟(jì)成本低、施工方便、便于檢修，因此，發(fā)展前景十分廣闊。傳統(tǒng)均勻連續(xù)“一”形階梯(簡(jiǎn)稱傳統(tǒng)階梯)在實(shí)際工程應(yīng)用中受到普遍好評(píng)，但是隨著我國(guó)水利工程的發(fā)展，傳統(tǒng)階梯的適應(yīng)性變差，其弊端逐漸顯現(xiàn)。分析原因，近10年來(lái)，我國(guó)的大型水利工程均呈現(xiàn)高壩大庫(kù)的特征，與之對(duì)應(yīng)在泄洪消能環(huán)節(jié)的要求及難度越來(lái)越大，據(jù)統(tǒng)計(jì)表明，傳統(tǒng)階梯用于下泄單寬流量在50m3/s-m以上的水流時(shí)，存在以下不足1、消能率明顯下降，沿程消除大部分勢(shì)能的優(yōu)勢(shì)明顯弱化；2、下泄流量增大，階 梯面上水流經(jīng)過(guò)時(shí)流速迅速增大，由能量守恒便知，壓強(qiáng)銳減，這一趨勢(shì)使空蝕破壞發(fā)生的可能性陡增。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種倒坡式階梯消能工，以改善水流結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)消能效果，降低空蝕破壞的發(fā)生。本發(fā)明的技術(shù)方案對(duì)傳統(tǒng)“一”形階梯進(jìn)行改進(jìn)，將其水平上表面(坡比I1=O)改變?yōu)榈蛊旅?坡比^〈0)，豎直面保持不變。本發(fā)明所述倒坡式階梯消能工，包括緊接進(jìn)水口的順直段、與順直段相接的倒坡式階梯段，所述倒坡式階梯段由多級(jí)倒坡式階梯組成，所述倒坡式階梯是上表面為倒坡面的階梯(其側(cè)面仍然為豎直面)，倒坡式階梯段的底坡坡度與順直段的底坡坡度相同，順直段的長(zhǎng)度倒坡式階梯段的長(zhǎng)度=1 Γιο.,本發(fā)明所述倒坡式階梯消能工，可在順直段增設(shè)前置摻氣坎，以提高抗空蝕破壞的能力。上述倒坡式階梯消能工，其各級(jí)倒坡式階梯的水平投影長(zhǎng)度和高度相同，其水平投影長(zhǎng)度L1 =0. 4 18m，其高度Ii1 =0. 5 3m。上述倒坡式階梯消能工，其各級(jí)倒坡式階梯的倒坡面坡比I1相同，優(yōu)選為一
(1:0. 8) ( I1(1:20)。試驗(yàn)表明，上述倒坡式階梯消能工的倒坡式階梯段和順直段的底坡坡度θ=8 65°。本發(fā)明具有以下有益效果I、本發(fā)明所述倒坡式階梯消能工與傳統(tǒng)階梯消能工相比，由于單級(jí)階梯的水平投影長(zhǎng)度縮短，階梯凸角被銳化(見(jiàn)圖5、圖6)，因而相對(duì)于階梯段樁號(hào)間距離相同、單級(jí)階梯等寬及等高的傳統(tǒng)階梯消能工，沿程階梯級(jí)數(shù)增加，沿程糙率相應(yīng)加大，單級(jí)階梯上的能量損耗明顯提高，消能率沿程逐級(jí)累加，試驗(yàn)表明，消能率至少提高59Γ20%2、本發(fā)明所述倒坡式階梯的倒坡面具有挑坎的作用，使得水流沖擊倒坡面入射夾角變大(見(jiàn)圖5、圖6)，動(dòng)能沖擊更加劇烈，沖擊動(dòng)能轉(zhuǎn)化為水流內(nèi)部紊動(dòng)能的轉(zhuǎn)化率提高，因而使得水流內(nèi)部紊動(dòng)增強(qiáng)，形成耗散渦的機(jī)率加大，整體消能率增強(qiáng)。3、本發(fā)明所述倒坡式階梯消能工結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，施工可操作性強(qiáng)，體型容易優(yōu)化，只需通過(guò)調(diào)節(jié)倒坡式階梯的倒坡面坡比，就可適應(yīng)不同的實(shí)際水工工程。4、本發(fā)明所述倒坡式階梯消能工，在來(lái)流較小的情況下，僅該結(jié)構(gòu)本身就能滿足工程需求；隨著來(lái)流的增加，配合前置摻氣坎可保護(hù)前幾級(jí)易發(fā)生空蝕破壞的階梯，使其抗空蝕的能力增強(qiáng)，適用范圍增大。


圖I是本發(fā)明所述倒坡式階梯消能工的第一種結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是圖I的俯視圖；圖3是本發(fā)明所述倒坡式階梯消能工的第二種結(jié)構(gòu)示意圖，順直段上設(shè)置有前置摻氣坎；圖4是圖3的俯視圖；圖5是本發(fā)明所述倒坡式階梯消能工的消能機(jī)理示意圖；圖6是傳統(tǒng)“一”形階梯消能工的消能機(jī)理示意圖。圖中，I一順直段、2—倒坡式階梯段、3—水面線、4一邊墻、5—倒坡式階梯、6—前置摻氣坎、7—倒坡面、8—倒坡式階梯的凸角、Θ—倒坡式階梯段和順直段的底坡傾角、L1 一倒坡式階梯的水平投影長(zhǎng)度、Ii1 一倒坡式階梯的高度、I1 一倒坡面坡比、i2—前置摻氣坎坡比、h2—前置摻氣坎高度、L2—傳統(tǒng)“一”形階梯的水平長(zhǎng)度、h3—傳統(tǒng)“一”形階梯的高度、β i一倒坡式階梯的倒坡面上的水流入射角、β 2—傳統(tǒng)“一”形階梯的水平面上的水流入射角、B—溢洪道或壩面溢流寬度(階梯寬度)。
具體實(shí)施例方式下面通過(guò)實(shí)施例對(duì)本發(fā)明所述倒坡式階梯消能工作進(jìn)一步說(shuō)明。下述各實(shí)施例根據(jù)某水電站樞紐工程設(shè)計(jì)，所述電站集水面積為5100km2，廠址控制集水面積為5870 km2。電站溢洪道最大工作水頭160m，最大下泄流量IllOmVs,設(shè)計(jì)溢洪道或壩面溢流寬度B =IOm,最大單寬流量lllm3/s.m。實(shí)施例I本實(shí)施例中，異形階梯消能工的結(jié)構(gòu)如圖I、圖2所示，包括緊接進(jìn)水口的順直段1，與順直段相接的倒坡式階梯段2，所述順直段I樁號(hào)間距離17m，所述倒坡式階梯段2樁號(hào)間距離90m，倒坡式階梯段和順直段的底坡坡度相同，其底坡的傾角Θ為18. 4°，單寬流量100m3/s. m。所述倒坡式階梯段2由12級(jí)倒坡式階梯5組成，組成倒坡式階梯段的各級(jí)倒坡式階梯的水平長(zhǎng)度和高度相同，倒坡面的坡比I1相同，其水平投影長(zhǎng)度L1 =7. 5m，其高度 Ii1 =2. 5m,倒坡面坡比 Ii1= — (1:3) ο試驗(yàn)測(cè)試表明與同等體型的“一”形傳統(tǒng)階梯相比(下泄單寬流量為lOOmVs.m)，本實(shí)施例中的倒坡式階梯消能工的整體流態(tài)穩(wěn)定，消能率提高8%，約為83%。實(shí)施例2本實(shí)施例中，異形階梯消能工的結(jié)構(gòu)如圖3、圖4所示。與實(shí)施例I不同之處是在順直段I上設(shè)置有前置摻氣坎4。所述前置摻氣坎設(shè)置在距離第I級(jí)倒坡式階梯起點(diǎn)7m處，其坡比為i2 =1:3，其側(cè)面垂直于順直段，高度h2 =0.5m。試驗(yàn)測(cè)試表明與同等體型的“一”形傳統(tǒng)階梯相比(下泄單寬流量為lOOmVs.m)，本實(shí)施例中的倒坡式階梯消能工的整體流態(tài)穩(wěn)定，消能率提高12%，約為87%，前3飛級(jí)階梯空蝕破壞情況明顯改善，負(fù)壓值減小30%。實(shí)施例3本實(shí)施例中，異形階梯消能工的結(jié)構(gòu)如圖I、圖2所示，包括緊接進(jìn)水口的順直段1，與順直段相接的倒坡式階梯段2，所述順直段I樁號(hào)間距離6m，所述倒坡式階梯段2樁號(hào)間距離36m，倒坡式階梯段和順直段的底坡坡度相同，其底坡的傾角Θ為45°，單寬流量IOOmVs. m。所述倒坡式階梯段2由12級(jí)倒坡式階梯5組成，組成倒坡式階梯段的各級(jí)倒坡式階梯的水平長(zhǎng)度和高度相同，倒坡面7的坡比I1相同，其水平投影長(zhǎng)度L1 =3m，其高度Ii1 =3m,倒坡面坡比 I1= — (1:20)。試驗(yàn)測(cè)試表明與同等體型的“一”形傳統(tǒng)階梯相比(下泄單寬流量為lOOmVs.m)， 本實(shí)施例中的倒坡式階梯消能工的整體流態(tài)穩(wěn)定，消能率提高5%，約為80%。
權(quán)利要求
1.一種倒坡式階梯消能工，包括緊接進(jìn)水口的順直段(I)，其特征在于還包括與順直段相接的倒坡式階梯段(2)，所述倒坡式階梯段(2)由多級(jí)倒坡式階梯(5)組成，所述倒坡式階梯是上表面(7 )為倒坡面的階梯，倒坡式階梯段(2 )的底坡坡度與順直段(I)的底坡坡度相同，順直段的長(zhǎng)度倒坡式階梯段的長(zhǎng)度=1 Γιο。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述倒坡式階梯消能工，其特征在于組成倒坡式階梯段的各級(jí)倒坡式階梯的水平投影長(zhǎng)度和高度相同，其水平投影長(zhǎng)度L1 =0. Γ 8πι，其高度Ii1 =0. 5 3m。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述倒坡式階梯消能工，其特征在于組成倒坡式階梯段的各級(jí)倒坡式階梯的倒坡面坡比I1相同，為—(1:0.8) ^ I1 (1:20)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述倒坡式階梯消能工，其特征在于倒坡式階梯段(2)和順直段(I)的底坡傾角θ=8 65°。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述倒坡式階梯消能工，其特征在于倒坡式階梯段(2)和順直段(I)的底坡傾角θ=8 65°。
6.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述倒坡式階梯消能工，其特征在于所述順直段(I)上設(shè)置有前置摻氣坎(4)。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述倒坡式階梯消能工，其特征在于所述順直段(I)上設(shè)置有前置摻氣坎(4)。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述倒坡式階梯消能工，其特征在于所述順直段(I)上設(shè)置有前置摻氣坎(4)。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述倒坡式階梯消能工，其特征在于所述順直段(I)上設(shè)置有前置摻氣坎(4)。
全文摘要
一種倒坡式階梯消能工，包括緊接進(jìn)水口的順直段、與順直段相接的倒坡式階梯段，所述倒坡式階梯段由多級(jí)倒坡式階梯組成，所述倒坡式階梯是上表面為倒坡面的階梯，倒坡式階梯段的底坡坡度與順直段的底坡坡度相同，組成倒坡式階梯段的各級(jí)倒坡式階梯的水平投影長(zhǎng)度和高度相同，其水平投影長(zhǎng)度L1 =0.4~18m，其高度h1 =0.5~3m?？稍陧樦倍紊显O(shè)置有前置摻氣坎，以提高抗空蝕破壞的能力。
文檔編號(hào)E02B8/06GK102720171SQ20121016450
公開(kāi)日2012年10月10日 申請(qǐng)日期2012年5月24日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月24日
發(fā)明者余飛, 劉善均, 周茂林, 崔瑞, 張建民, 張法星, 曲景學(xué), 王韋, 田忠, 聶境, 許唯臨, 鄧軍 申請(qǐng)人:四川大學(xué)