一种挑坎和新型过渡台阶结合的溢流坝的制作方法

本发明涉及一种挑坎和新型过渡台阶结合的溢流坝，属于水工建筑物泄洪消能领域。

背景技术：

近年来，随着碾压混凝土筑坝技术的发展，阶梯溢流坝已在国内外中小型工程中得到大量的应用。而传统的消能方式，消能率高仅仅局限于40m³(s.m)的小单宽流量，在大单宽流量和高水头的情况下（单宽流量q>40m³(s.m)），由于溢流水舌的覆盖，阶梯面通气难，可能产生空蚀空化破坏，因而不可能应用于高水头、大单宽流量的泄洪建筑物中。为了增大阶梯式消能工的应用范围，一些学者将宽尾墩和台阶式消能工相结合，充分利用宽尾墩对水流的垂向扩散作用，增加挑流水舌两侧掺气和水舌入水掺气，减小台阶的过流单宽流量，将阶梯的消能效果弱化，从而达到增大单宽流量、提高水头应用范围的目的。但张挺对贵州索风营水电站x型宽尾墩+台阶+消力池的一体化消能工的研究中发现在首级台阶立面与溢流坝面交接处发生了空化现象，说明这种一体化消能工对溢流坝面的掺气量还未达到要求。

技术实现要素：

本发明所要解决的的技术问题在于提供一种挑坎和新型过渡台阶结合的溢流坝，无需任何附加通气设备，完全依靠水流自身掺气效果的联合泄洪消能结构，不仅能提高水坝泄洪能力，而且还可具有保护宽尾墩后的台阶面及提高台阶消能率。

本发明采用的技术方案是：一种挑坎和新型过渡台阶结合的溢流坝，包括宽尾墩3、挑坎4、新型过渡阶梯5、均匀阶梯6、反弧段7、带有消力坎9的消力池8，挑坎4前端连接着宽尾墩3墩尾，将从宽尾墩3溢流表孔3-1流出的水流挑射到下游，让挑射水流在空中掺气、碰撞，进而消能，挑坎4后端接新型过渡台阶5，过渡台阶5后端依次连接均匀阶梯6、反弧段7、带有消力坎9的消力池8，所述的新型过渡台阶5包括三个相同尺寸的大台阶，三个大台阶中的任一个或任两个或全部上设有一个小台阶，新型过渡阶梯5中大台阶的凸角顶点和均匀阶梯6中台阶的凸角顶点连接成一条基准直线l。

所述的新型过渡台阶5中的大台阶高2m，宽1.5m，小台阶高1m，宽1.125m。

以新型过渡阶梯5中首级大台阶立面顶点位置为起点，垂直向上增加高度h的点作为固定高度点，堰面与阶梯溢流面相切的切点与固定高度点的连线为挑坎4，挑坎4与基准直线l向上的延长线形成一个角度为θ的挑坎夹角。

所述的角度θ为9°<θ<11.3°。

所述的高度h为0.3—1.5m。

本发明利用宽尾墩与墩尾挑坎联合泄洪消能的水坝结构，包括坝体、闸墩、宽尾墩、挑坎。所述坝体顶部为wes曲面，当水流流经wes曲面后经过宽尾墩3，利用宽尾墩3的墩面无水区对台阶底部进行掺气，大大减小了出现空蚀空化破坏的可能性。

所述溢流坝面，当下泄水流流经溢流坝面时，由于坝面对水流的摩擦作用，消耗一部分水流能量。所述宽尾墩3后设置一挑坎4，且该挑坎4下接有新型过渡阶梯5。所述挑坎4，当下泄水流经宽尾墩3出流，由于前置掺气坎的作用，底部泄流更易被挑射，形成稳定的挑距和掺气空腔。所述新型过渡阶梯5，下泄水流流经挑坎4后，在挑坎4后的阶梯溢流面上形成大面积无水区，通过改变过渡阶梯5体型来改变掺气空腔面积的大小和形状，使坝面无水区掺气更加充分，从而降低空蚀空化破坏；空腔后的台阶恰好是下泄水舌跌落的前沿部分，既有空腔掺气带入的大量气体，又有跌落水舌形成的不完全发育水跃，在台阶内部形成强烈的含气旋滚水流，水汽混合剧烈，水流在台阶内部产生强烈的紊动，加速了泄流的能量耗散，从而提高台阶的消能率。

本发明的工作过程：溢流坝在泄洪时，先打开闸墩2的闸门，下泄水流从闸室2-1流出，经过宽尾墩3形成横向收缩，纵向耸立的水舌，再经过宽尾墩后的挑坎4挑离溢流面，在溢流坝面形成无水区，结合新型过渡台阶5，利用过渡台阶来改变掺气空腔面积的大小和形状，产生稳定的掺气空腔，降低空蚀空化破坏，从而让容易遭受气蚀溢流坝面区域受到保护，接着挑起的水舌底部落入空腔后的台阶6，台阶对其旋滚、摩擦作用，从而形成滑移水流，对水舌后沿起水垫作用，从而加速下泄水流能量耗散，水舌后沿落入反弧段7及消力池8前段，形成水跃的同时，还产生了回流，二者的共同作用下消能；进一步地经过消力池消能和消力坎9的雍水作用，再次消能。

本发明的有益效果是：采用闸墩与宽尾墩结合的入口大于出口的闸室，能够利用宽尾墩增大对水流的压缩能力，将下泄水流横向收缩竖向拉伸，挑射至下游，成股的挑射水舌在空中互相掺气、碰撞，从而提高宽尾墩的消能效果，而宽尾墩后设置挑坎，可将从闸室出流的水体挑离溢流面，从而使之后的溢流面形成无水区，利用新型过渡阶梯的体型来改变掺气空腔面积的大小和形状，进而让最容易受空蚀空化破坏的溢流坝面合理掺气，降低破坏可能。空腔后的台阶恰好是水舌前沿跌落点，利用台阶对水流的摩阻作用，加速台阶对泄流能量的耗散；之后利用反弧段和消力池进一步消能，本发明利用分部分区的联合泄洪消能结构，既降低了溢流坝面空蚀空化破坏，又提高了消能率。

附图说明

图1为本发明的主视图；

图2为图1中圆圈部分的放大图；

图3为本发明的俯视图；

图4为本发明挑坎4、新型过渡阶梯5、均匀阶梯6连接的一种结构图；

图5、6、7分别为图4中θ为不同角度时挑坎4、新型过渡阶梯5的连接结构图；

图8是本发明本发明挑坎4、新型过渡阶梯5、均匀阶梯6连接的另一种结构图；

图9、10、11分别为图8中θ为不同角度时挑坎4、新型过渡阶梯5的连接结构图；

图12是本发明本发明挑坎4、新型过渡阶梯5、均匀阶梯6连接的第三种种结构图；

图13、14、15分别为图12中θ为不同角度时挑坎4、新型过渡阶梯5的连接结构图。

图中各标号为：溢流坝坝体-1，闸墩-2，宽尾墩-3，挑坎-4，新型过渡阶梯-5，均匀阶梯-6，反弧段-7，消力池-8，消力坎9，闸室-2-1，溢流表孔-3-1。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，为本发明作进一步的描述。

实施例1：一种挑坎和新型过渡台阶结合的溢流坝，包括宽尾墩3、挑坎4、新型过渡阶梯5、均匀阶梯6、反弧段7、带有消力坎9的消力池8，挑坎4前端连接着宽尾墩3墩尾，将从宽尾墩3溢流表孔3-1流出的水流挑射到下游，让挑射水流在空中掺气、碰撞，进而消能，挑坎4后端接新型过渡台阶5，过渡台阶5后端依次连接均匀阶梯6、反弧段7、带有消力坎9的消力池8，所述的新型过渡台阶5包括三个相同尺寸的大台阶，三个大台阶中的任一个或任两个或全部上设有一个小台阶，新型过渡阶梯5中大台阶的凸角顶点和均匀阶梯6中台阶的凸角顶点连接成一条基准直线l。

进一步地，所述的新型过渡台阶5中的大台阶高2m，宽1.5m，小台阶高1m，宽1.125m，如图4、5、6、7所示，本实施例中包括三个大台阶，在最下端的大台阶上设有一个小台阶。

进一步地，以新型过渡阶梯5中首级大台阶立面顶点位置为起点，垂直向上增加高度h的点作为固定高度点，堰面与阶梯溢流面相切的切点与固定高度点的连线为挑坎4，挑坎4与基准直线l向上的延长线形成一个角度为θ的挑坎夹角。

进一步地，所述的角度θ为9°<θ<11.3°，如图5、6、7所示，角度θ分别为9°、10°、11°。

进一步地，所述的高度h为0.3—1.5m，本实施例中h为1m。

本实施例应用于高水头、大单宽流量的水工泄洪建筑物中，例如：以发电为主，兼顾防洪、灌溉等综合利用的水利水电枢纽工程。该电站正常蓄水位1504m，装机容量2000mw，电站正常蓄水位对应库容8.06亿m³，调节库容2.38亿m³，库容系数0.0047，具有日调节能力，控制流域面积235381km²。电站溢洪道最大工作水头105m，，设计均匀阶梯坡度为53°，最大单宽流量178m³/s.m。

试验测试表明，本实施例中的挑坎+新型过渡台阶的联合消能工能保护wes曲线段与首级台阶立面衔接处，避免发生空蚀空化破坏，消能率约为60%。

实施例2，本实施例与实施例1的结构类似，不同之处在于：如图8、9、10、11所示，本实施例中包括三个大台阶，在最下端和中间的大台阶上分别设有一个小台阶。

本实施例同样应用于高水头、大单宽流量的水工泄洪建筑物中，例如：以发电为主，兼顾防洪、灌溉等综合利用的水利水电枢纽工程。

试验测试表明，本实施例中的挑坎+新型过渡台阶的联合消能工能保护wes曲线段与首级台阶立面衔接处，避免发生空蚀空化破坏，消能率约为60%。

实施例3：本实施例与实施例1的结构类似，不同之处在于：如图:12、13、14、15所示，本实施例中包括三个大台阶，三大台阶上分别设有一个小台阶。

本实施例用于台阶均匀阶梯坡度为53°，应用于低水头，小单宽流量的泄洪建筑物中。过渡台阶采用宽台阶与窄台阶交替排列的结构，在低水头，小单宽流量下，由闸室下泄的水流经过挑坎，会形成一个稳定的掺气空腔，降低空蚀空化破坏；在空腔后的台阶上，主流旋滚区在台阶内部形成横向旋滚水流，其与坝面主流之间相互剪切和动量交换加剧，从而提高消能率。

本发明中提出的该范围挑坎角度θ（9°<θ<11.3°）与在3个高2m，宽1.5m的大台阶上加任意符合工程要求的不同尺寸、不同个数的小台阶的组合仍属于本发明的保护范围内。

溢流坝新型过渡阶梯5后接均匀阶梯6，均匀阶梯6后接反弧段7及带有消力坎9的消力池8。溢流坝利用堰顶闸墩后的宽尾墩3形成堰顶收缩射流，射流的水舌底部又经过宽尾墩3后的挑坎4，将其挑离溢流面，从而使挑坎4后的阶梯形成大面积的无水区，从而对阶梯的底部进行掺气，尽量避免空蚀空化破坏；经过宽尾墩3和挑坎4将水流挑射并不能使下泄水流完全形成两股纵向耸立的水翅，由于自身重力以及水气掺混，有部分水流会流经挑坎后的台阶，为了更好的消能和掺气，在挑坎4后连接一个新型的过渡阶梯5，利用台阶的摩阻作用对这一部分水流进行再次掺气及消能。最后水流在流经反弧段7+消力池8，通过分布消能的联合形式。本发明是一种联合的一体化消能模式，消能效果突出。

以上结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。