专利名称：带有过渡段的“v”形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：
田忠等在四川大学学报(工程科学版)公开了一种“V”形台阶溢洪道(见第42卷第2期，P21-25，2010年3月)，由均匀连续“V”形阶梯构成。经数值模拟以及物理模型验证，其水流结构以及消能效果较传统均匀连续“一”形阶梯确实发生较大变化，如传统均匀连续“一”形阶梯漩涡结构呈现2元平面特征，而均匀连续“V”形阶梯漩涡结构呈现3元流特征，同等体型条件下，均匀连续“V”形阶梯的消能率高于传统均匀连续“一”形阶梯。均匀连续“V”形阶梯虽然能提高消能率，改善水流结构，但却存在以下不足1、由于阶梯边界由原来的直线“一”字变为带有尖锐凸角的折线“V”字型，因此在前几级阶梯上极易产生“水翅” 现象，所谓“水翅”现象是指水流下泄形成的水舌由于速度较大，水流边壁形状突然改变，在第I级阶梯面上水舌冲击力大于水舌重力，受到阶梯面的反作用力，射流方向改变，水舌被抛射并越过数级阶梯的现象。2、“水翅”现象的发生会使水流翻越溢洪道边墙冲刷岸坡或相邻建筑物基础，从而影响建筑物的安全运行。3、若不设法减弱或消除“水翅”现象，势必增加溢洪道边墙设计高度，提高工程造价。4、由于水舌被抛射并越过数级阶梯，部分阶梯被空置，减少了有效消能阶梯数目，降低消能率。5、当水舌跃离数级阶梯经抛射直接作用于某级阶梯，会增加该级阶梯负荷，影响该级阶梯稳定性。总之，伴随“水翅”现象的潜在问题使得均匀连续“V”字阶梯消能工在实际工程中的实用性大大降低。
发明内容
本发明的目的是提供一种带有过渡段的“V”形阶梯消能工，以减弱“水翅”现象，增加有效消能阶梯的数量，提高实用性。本发明所述带有过渡段的“V”形阶梯消能工，包括紧接进水口的顺直段、主“V”形阶梯段和过渡“V”形阶梯段，所述过渡“V”形阶梯段的一端接顺直段，其另一端接主“V”形阶梯段，过渡“V”形阶梯段和主“V”形阶梯段的底坡坡度与顺直段的底坡坡度相同，顺直段的长度过渡“V”形阶梯段的长度主“V”形阶梯段的长度=1 0. 5^3) f 10;所述过渡“V”形阶梯段由几何尺寸渐变的m个“V”形阶梯组构成，各“V”形阶梯组由2 5级几何尺寸相同的“V”形阶梯构成，所述m为3彡10的整数，所述几何尺寸为单级阶梯长度Lm、单级阶梯高度hm、阶梯“V”形凸角P ffl ;所述主“V”形阶梯段的各级阶梯长度、各级阶梯高度、各级阶梯“V”形凸角相等。本发明所述带有过渡段的“V”形阶梯消能工，可在顺直段增设前置掺气坎，以进一步提闻抗空蚀破坏能力。上述带有过渡段的“V”形阶梯消能工，其过渡“V”形阶梯段中，m个“V”形阶梯组的单级阶梯长度Lm沿水流方向逐渐从短变长、单级阶梯高度hm沿水流方向逐渐从小变大、凸角Pm沿水流方向逐渐从大变小，0.05米彡Lm < L，0. I米彡hm<H，a < Pm <180°，所述L为主“V”形阶梯段的单级阶梯长度，所述H为主“V”形阶梯段的单级阶梯高度，所述a为主“V”形阶梯段中阶梯的“V”形凸角。上述带有过渡段的“V”形阶梯消能工，其特征在于主“V”形阶梯段中，各级阶梯的长度L=2. 5 35m，各级阶梯的高度H=O. 5 5m，各级阶梯的“V”形凸角a =30 150°。实验表明，上述述带有过渡段的“V”形阶梯消能工的顺直段、过渡“V”形阶梯段和主“V”形阶梯段的底坡倾角0=8飞5°。本发明具有以下有益效果I、由于本发明所述带有过渡段的“V”形阶梯消能工设有过渡“V”形阶梯段，且过渡“V”形阶梯段由几何尺寸渐变的m个“V”形阶梯组构成，沿水流方向，过渡“V”形阶梯段阶梯尺寸增至接近主“V”形阶梯段的阶梯尺寸，因而为水流适应边壁糙率的变化提供了时间与空间，有效的减弱或避免了 “水翅”现象的发生(见图6)。 2、由于本发明所述带有过渡段的“V”形阶梯消能工的顺直段与主“V”形阶梯段之间设有过渡“V”形阶梯段，因而经过顺直段的水流进入过渡“V”形阶梯段后贴壁流动，与现有“V”形阶梯消能工相比，增大了有效消能阶梯段的长度(见图5、图6)。3、由于本发明所述带有过渡段的“V”形阶梯消能工的顺直段与主“V”形阶梯段之间设有过渡“V”形阶梯段，因而水流跃离现象明显削减，与现有“V”形阶梯消能工相比，不会发生边墙漫溢，提高了水工建筑物的安全性(见图5、图6)。4、由于顺直段可增设前置掺气坎，前置掺气坎能有效保护阶梯首部易发生空蚀破坏的阶梯，因此拓展其适用范围。
图I是本发明所述带有过渡段的“V”形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是本发明所述带有过渡段的“V”形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是现有技术中的“V”形台阶(阶梯)溢洪道(消能工)的水流流态示意图；图6是本发明所述带有过渡段的“V”形阶梯消能工的水流流态示意图；图中，I一顺直段，2—过渡“V”形阶梯段，3—主“V”形阶梯段，4一前置掺气坎，5—边墙，6—中轴线，7—第I个“V”形阶梯组，8—第m — I个“V”形阶梯组，9一第m个“V”形阶梯组，10—3D漩润，0 一顺直段、过渡“V”形阶梯段和主“V”形阶梯段的底坡倾角，L一主“V”形阶梯段的单级阶梯长度、H—主“V”形阶梯段的单级阶梯高度、a—主“V”形阶梯段的“V”形凸角、Lm—过渡“V”形阶梯段的单级阶梯长度、hm—过渡“V”形阶梯段的单级阶梯高度、a m—过渡“V”形阶梯段的“V”形凸角、B—阶梯宽度、i一前置掺气坎坡比，h。一前置掺气坎高度，La—现有技术中的“V”形台阶(阶梯)溢洪道(消能工)未被利用的阶梯段长度，Lb—本发明中过渡“V”形阶梯段未被利用的阶梯段长度。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明所述带有过渡段的“V”形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4900km2，厂址控制集水面积为5540 km2。电站溢洪道最大工作水头150m，最大下泄流量1230m3/s，设计溢洪道或坝面溢流宽度B = 10m，最大单宽流量123m3/s.m。实施例I本实施例中，带有过渡段的“V”形阶梯消能工的结构如图 I、图2所示，由紧接进水口的顺直段I、与顺直段相接的过渡“V”形阶梯段2、与过渡“V”形阶梯段相接的主“V”形阶梯段3组成；所述顺直段I桩号间距离17m，所述过渡“V”形阶梯段2桩号间距离18m，所述主“V”形阶梯段3桩号间距离90m，顺直段、过渡“V”形阶梯段和主“V”形阶梯段的底坡坡度相同，其底坡倾角9为18. 4°，单宽流量75m3/s.m。所述主“V”形阶梯段的各级阶梯长度、各级阶梯高度、各级阶梯“V”形凸角相等，各级阶梯的长度L=9m，各级阶梯的高度H=3m，各级阶梯的“V”形凸角a =60°。所述过渡“V”形阶梯段2由6个“V”形阶梯组构成，第I个“V”形阶梯组由5级几何尺寸相同的“V”形阶梯构成，第2个“V”形阶梯组由2级几何尺寸相同的“V”形阶梯构成，第3个“V”形阶梯组由2级几何尺寸相同的“V”形阶梯构成，第4个“V”形阶梯组由2级几何尺寸相同的“V”形阶梯构成，第5个“V”形阶梯组由2级几何尺寸相同的“V”形阶梯构成，第6个“V”形阶梯组由2级几何尺寸相同的“V”形阶梯构成；第I个“V”形阶梯组中，各级阶梯的长度L1=O. 6m，各级阶梯的高度4=0. 2m，各级阶梯的“V”形凸角a 1=175° ;第2个“V”形阶梯组中，各级阶梯的长度L2=O. 9m，各级阶梯的高度h2=0. 3m，各级阶梯的“V”形凸角a2=155° ;第3个“V”形阶梯组中，各级阶梯的长度!^^^!!!，各级阶梯的高度匕坤.^，各级阶梯的“V”形凸角a3=135° ;第4个“V”形阶梯组中，各级阶梯的长度L4=1.5m，各级阶梯的高度h4=0.5m，各级阶梯的“V”形凸角a4=115° ;第5个“V”形阶梯组中，各级阶梯的长度L5=L Sm，各级阶梯的高度1!5=0. 6m，各级阶梯的“V”形凸角a 5=95° ;第6个“V”形阶梯组中，各级阶梯的长度L6=2. lm，各级阶梯的高度匕坤.？!!!，各级阶梯的“V”形凸角a6=75° 。试验测试表明本实施例中水流流态基本为贴壁流，与同等体型的现有技术中的“V”形阶梯消能工相比(下泄单宽流量为75m3/s.m)，本实施例中的带有过渡段的“V”形阶梯消能工“水翅”现象明显弱化，基本没有被空置阶梯存在；整体流态稳定，过渡“V”形阶梯段的水舌上缘高度下降约50%，消能率提高7%，约为82%。实施例2本实施例中，带有过渡段的“V”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。所述置掺气坎设置在距离过渡“V”形阶梯段2的第I级阶梯起点7m处，其坡比为i=l: 3，其侧面垂直于顺直段，高度h。=0. 5m。试验测试表明本实施例中水流流态基本为贴壁流，与同等体型的现有技术中的“V”形阶梯消能工相比(下泄单宽流量为75m3/s.m)，“水翅”现象明显弱化；基本没有被空置阶梯存在；整体流态稳定，过渡“V”形阶梯段的水舌上缘高度下降约55%，消能率提高10%约为85%，前:T5级阶梯最低负压值减小30%，对抗空蚀破坏更有利。实施例3本实施例中，带有过渡段的“V”形阶梯消能工的结构如图I、图2所示，由紧接进水口的顺直段I、与顺直段相接的过渡“V”形阶梯段2、与过渡“V”形阶梯段相接的主“V”形阶梯段3组成；所述顺直段I桩号间距离5. 4m，所述过渡“V”形阶梯段2桩号间距离6m，所述主“V”形阶梯段3桩号间距离30m，顺直段、过渡“V”形阶梯段和主“V”形阶梯段的底坡坡度相同，其底坡倾角9为45°，单宽流量75m3/s.m。所述主“V”形阶梯段的各级阶梯长度、各级阶梯高度、各级阶梯“V”形凸角相等，各级阶梯的长度L=3m，各级阶梯的高度H=3m，各级阶梯的“V”形凸角a =120°。所述过渡“V”形阶梯段2由3个“V”形阶梯组构成，第I个“V”形阶梯组由4级几何尺寸相同的“V”形阶梯构成，第2个“V”形阶梯组由2级几何尺寸相同的“V”形阶梯构成，第3个“V”形阶梯组由2级几何尺寸相同的“V”形阶梯构成；第I个“V”形阶梯组中，各级阶梯的长度L1=O. 5m，各级阶梯的高度Ii1=O. 5m，各级阶梯的“V”形凸角a 1=175° ；第2个“V”形阶梯组中，各级阶梯的长度L2=O. Sm,各级阶梯的高度h2=0. 8m,各级阶梯的“V”形凸角a2=155° ;第3个“V”形阶梯组中，各级阶梯的长度L3=L 2m，各级阶梯的高度h3=1.2m，各级阶梯的“V”形凸角a 3=135°。
试验测试表明本实施例中水流流态基本为贴壁流，与同等体型的现有技术中的“V”形阶梯消能工相比(下泄单宽流量为75m3/s.m)，本实施例中的带有过渡段的“V”形阶梯消能工“水翅”现象明显弱化，基本没有被空置阶梯存在；整体流态稳定，过渡“V”形阶梯段的水舌上缘高度下降约45%，消能率提高6%，约为80%。
权利要求
1.一种带有过渡段的“V”形阶梯消能エ，包括紧接进水口的顺直段(I)、主“V”形阶梯段(3)，其特征在于还包括过渡“V”形阶梯段(2)，所述过渡“V”形阶梯段(2)的一端接顺直段(1)，其另一端接主“V”形阶梯段(3)，过渡“V”形阶梯段(2)和主“V”形阶梯段(3)的底坡坡度与顺直段(I)的底坡坡度相同，顺直段的长度过渡“V”形阶梯段的长度主“V”形阶梯段的长度=1 O. 5^3 Γ10 ； 所述过渡“V”形阶梯段(2)由几何尺寸渐变的m个“V”形阶梯组构成，各“V”形阶梯组由2 5级几何尺寸相同的“V”形阶梯构成，所述m为3 < m < 10的整数，所述几何尺寸为单级阶梯长度Lm、单级阶梯高度hm、阶梯“V”形凸角βπ; 所述主“ V”形阶梯段(3)的各级阶梯长度、各级阶梯高度、各级阶梯“V”形凸角相等。
2.根据权利要求I所述带有过渡段的“V”形阶梯消能エ，其特征在于过渡“ V”形阶梯段(2)中，m个“V”形阶梯组的单级阶梯长度Lm沿水流方向逐渐从短变长、单级阶梯高度hn沿水流方向逐渐从小变大、凸角沿水流方向逐渐从大变小,0.05米< Lni < L，O. I米^ hffl < H, α < βω< 180°，所述L为主“V”形阶梯段(3)的单级阶梯长度，所述H为主“V”形阶梯段(3)的单级阶梯高度，所述α为主“V”形阶梯段(3)中阶梯的“V”形凸角。
3.根据权利要求I或2所述带有过渡段的“V”形阶梯消能エ，其特征在于主“V”形阶梯段(3)中，各级阶梯的长度L=2.5 35m，各级阶梯的高度H=0.5 5m，各级阶梯的“ V”形凸角 α=30 150°。
4.根据权利要求I或2所述带有过渡段的“V”形阶梯消能エ，其特征在于顺直段(I)、过渡“ V”形阶梯段(2)和主“ V”形阶梯段(3)的底坡倾角θ=8飞5°。
5.根据权利要求3所述带有过渡段的“V”形阶梯消能エ，其特征在于顺直段(I)、过渡“V”形阶梯段(2)和主“V”形阶梯段(3)的底坡倾角9=8^65°。
6.根据权利要求I或2所述带有过渡段的“V”形阶梯消能エ，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所述带有过渡段的“V”形阶梯消能エ，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所述带有过渡段的“V”形阶梯消能エ，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所述带有过渡段的“V”形阶梯消能エ，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
带有过渡段的“V”形阶梯消能工，包括紧接进水口的顺直段、主 “V”形阶梯段、过渡“V”形阶梯段，所述过渡“V”形阶梯段的一端接顺直段，其另一端接主 “V”形阶梯段，过渡“V”形阶梯段和主“V”形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∶过渡“V”形阶梯段的长度∶主“V”形阶梯段的长度=1∶0.5~3∶1~10；所述过渡“V”形阶梯段由几何尺寸渐变的m个“V”形阶梯组构成，各“V”形阶梯组由2～5级几何尺寸相同的“V”形阶梯构成，所述m为3≤m≤10的整数，所述几何尺寸为单级阶梯长度Lm、单级阶梯高度hm、阶梯“V”形凸角βm；所述主“V”形阶梯段的各级阶梯长度、各级阶梯高度、各级阶梯“V”形凸角相等。
文档编号E02B8/06GK102704447SQ20121015745
公开日2012年10月3日 申请日期2012年5月18日 优先权日2012年5月18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