異形階梯消能工的製作方法

2023-06-08 19:50:26

專利名稱：異形階梯消能工的製作方法
技術領域：
本發明屬於內流洩洪消能設施，特別涉及一種用於溢洪道(洞)或壩面溢流的階梯 消能工。
背景技術：
田忠等在四川大學學報(工程科學版)公開了一種「V」形臺階溢洪道(見第42卷第 2期，P21-25，2010年3月)，由均勻連續「V」形階梯構成。經數值模擬以及物理模型驗證， 其水流結構以及消能效果較傳統均勻連續「一」形階梯確實發生較大變化，如傳統均勻連 續「一」形階梯漩渦結構呈現2元平面特徵，而均勻連續「V」形階梯漩渦結構呈現3元流特 徵，同等體型條件下，均勻連續「V」形階梯的消能率高於傳統均勻連續「一」形階梯。均勻 連續「V」形階梯雖然能提高消能率，改善水流結構，但卻存在以下不足1、由於階梯邊界由 原來的直線「一」形變為帶有尖銳凸角的折線「V」形，因此在前幾級階梯上極易產生「水翅」 現象，所謂「水翅」現象是指水流下洩形成的水舌由於速度較大，水流邊壁形狀突然改變，在 第1級階梯面上水舌衝擊力大於水舌重力，受到階梯面的反作用力，射流方向改變，水舌被 拋射並越過數級階梯的現象。2、「水翅」現象的發生會使水流翻越溢洪道邊牆衝刷岸坡或相 鄰建築物基礎，從而影響建築物的安全運行。3、若不設法減弱或消除「水翅」現象，勢必增 加溢洪道邊牆設計高度，提高工程造價。4、由於水舌被拋射並越過數級階梯，部分階梯被空 置，減少了有效消能階梯數目，降低消能率。5、當水舌躍離數級階梯經拋射直接作用於某級 階梯，會增加該級階梯負荷，影響該級階梯穩定性。總之，伴隨「水翅」現象的潛在問題使得 均勻連續「V」形階梯在實際工程中的實用性大大降低。

發明內容
本發明的目的是提供一種異形階梯消能工，以減弱「水翅」現象，增加有效消能階 梯的數量，提高消能率。本發明所述異形階梯消能工，包括緊接進水口的順直段、與順直段相接的異形階 梯段，所述異形階梯段的各級階梯為「W」形或「」形，異形階梯段的底坡坡度與順直段的 底坡坡度相同，順直段的長度異形階梯段的長度=i no.所述形階梯是將「w」 形階梯的豎直邊界面圓弧化的產物，因而兩種形狀屬於一個總的發明構思，圓滑的「《 」型 階梯邊界相比「W」型階梯在實際工程中的使用壽命增長。本發明所述異形階梯消能工，可在順直段增設前置摻氣坎，以提高抗空蝕破壞的 能力。上述異形階梯消能工，其異形階梯段的各級階梯長度和高度相同，各級階梯的長 度均為0. ri8m，各級階梯的高度均為0. 5 3m。當異形階梯段的各級階梯為「W」形時，其兩 凸角的角度相等且對稱於過流面的中軸線，兩凸角的角度a =3(T150°。當異形階梯段的 各級階梯為形時，其兩凸弧面的半徑相等且對稱於過流面的中軸線，兩凸弧面的半徑 R =0. 4 18m。
試驗表明，上述異形階梯消能工的異形階梯段和順直段的底坡坡度0=8飛5°。本發明具有以下有益效果I、與「V」形臺階(階梯)相比，本發明所述「W」形或「形階梯消能工優化了水流 流態，將「V」形臺階(階梯)產生的大水翅變為了小水翅(見圖9、圖10)，因而未被利用的階 梯段明顯縮短，增加了有效消能階梯的個數，提高了消能率。2、由於水流流態的水翅現象被弱化，因而有利於建築物的安全運行和施工成本的 降低。3、由於「W」或「ω」形異型階梯上耗散渦為3D螺旋狀(見圖11、圖12)，且邊界經 幾何分形後，耗散渦個數以y=2n的速度增長(其中y為單級階梯上耗散渦的個數，n為邊界 分形次數「W」和「 ω 」形經2次分形，故n=2)，為消能率提高提供重要保證，試驗研究表明， 相對於「V」形臺階或階梯(「V」形經I次分形，故n=l)，消能率至少提高59^20%。4、由於對邊界進行了幾何分形，邊界由直變曲的直接結果拓展了單級階梯消能空 間並增加了階梯橫軸方向的糙率。5、由於水流流態發生改變，因此階梯上壓強分布呈負壓減小趨勢，負壓區面積的 減小使得水流空化數相對於「V」形臺階(階梯)提高I. 5^2. 0倍，可減小或避免形成空蝕破壞。6、由於在順直段增設了前置摻氣坎，進一步提高了防空蝕破壞性能。7、結構形式簡單，施工可操作性強，具有廣闊的應用前景。


圖I是本發明所述異形階梯消能工的第一種結構示意圖，異形階梯段的各級階梯 為「W」形；圖2是圖I的俯視圖；圖3是本發明所述異形階梯消能工的第二種結構示意圖，異形階梯段的各級階梯 為「W」形，順直段上設置有前置摻氣坎；圖4是圖3的俯視圖；圖5是本發明所述異形階梯消能工的第三種結構示意圖，異形階梯段的各級階梯 為「形；圖6是圖5的俯視圖；圖7是本發明所述異形階梯消能工的第四種結構示意圖，異形階梯段的各級階梯 為「形，順直段上設置有前置摻氣坎；圖8是圖7的俯視圖；圖9是「V」形臺階(階梯)溢洪道(消能工)的水流流態示意圖；圖10是本發明所述異形階梯消能工(「W」形或「 ω 」形)的水流流態示意圖；圖11是本發明所述異形階梯消能工的異形階梯段的各級階梯為「ω」形的消能機
理示意圖；圖12是本發明所述異形階梯消能工的異形階梯段的各級階梯為「ω 」形的消能機
理示意圖。圖中，I一順直段，2—異形階梯段，3—異形階梯(3-1 :「W」形階梯、3-2 形階梯)，4一前置摻氣坎，5—邊牆，6—中軸線，7 — 「W」形階梯的凸角，8 — 形階梯的凸弧， 9—2D鏇潤，10—3D鏇潤，11—大水翅，12—小水翅，0 一異形階梯段和順直段的底坡傾角， La—單級「W」形階梯長度，ha—單級「W」形階梯高度，a — 「W」形階梯的凸角角度，Lb—單 級「《 」形階梯長度，hb—單級「 (0 」形階梯高度，R— 「 (0 」形階梯的凸弧半徑，B—異形階 梯寬度，i一前置摻氣坎坡比，h。一前置摻氣坎高度，L- 「V」形臺階(階梯)溢洪道(消能 工)中未被利用的階梯段長度，h- 「V」形臺階(階梯)溢洪道(消能工)中第一級階梯的跌 落高度，L2—本發明所述異形階梯消能工中未被利用的階梯段長度，h2—本發明所述異形階 梯消能工中第一級階梯的跌落高度。
具體實施例方式下面通過實施例對本發明所述異形階梯消能工作進一步說明。下述各實施例根據 某水電站樞紐工程設計，所述電站集水面積為5200km2，廠址控制集水面積為5780 km2。電 站溢洪道最大工作水頭140m，最大下洩流量990m3/s，設計溢洪道或壩面溢流寬度B=1 lm,最 大單寬流量99m3/s. m。實施例1本實施例中，異形階梯消能工的結構如圖1、圖2所示，包括緊接進水口的順直段 1，與順直段相接的異形階梯段2，所述異形階梯段2的各級階梯為「W」形。所述順直段1樁 號間距離17m，所述異形階梯段2樁號間距離108m，異形階梯段和順直段的底坡坡度相同， 其底坡傾角9為18. 4°，單寬流量80m3/s.m。各級「W」形階梯3_1的長度和高度相同，兩 凸角7對稱於過流面的中軸線6，單級「W」形階梯的長度La=9m，高度ha=3m，兩凸角7的角 度 a =120。。試驗測試表明與同等體型連續均勻「V」字階梯相比(下洩單寬流量為80m3/S.m)， 本實施例中的異形階梯消能工水流流態基本為貼壁流，「水翅」現象明顯弱化；基本沒有 被空置階梯存在；整體流態穩定，未被利用的階梯段水舌上緣高度下降約50%，消能率提高 7%,約為 82%。實施例2本實施例中，異形階梯消能工的結構如圖3、圖4所示。與實施例1不同之處是在 順直段1上設置有前置摻氣坎4。所述置摻氣坎設置在距離第1級「W」形階梯起點7m處， 其坡比為i=l: 3，其側面垂直於順直段，高度he=0. 5m。試驗測試表明與同等體型連續均勻「V」字階梯相比(下洩單寬流量為80m3/S.m)， 本實施例中中的異形階梯消能工水流流態基本為貼壁流，「水翅」現象明顯弱化；基本沒有 被空置階梯存在；整體流態穩定，未被利用的階梯段水舌上緣高度下降約55%，消能率提高 10%，約為85%，負壓區面積減小30%，對抗空蝕破壞更有利。實施例3本實施例中，異形階梯消能工的結構如圖1、圖2所示，包括緊接進水口的順直段 1，與順直段相接的異形階梯段2，所述異形階梯段2的各級階梯為「W」形。所述順直段1樁 號間距離12m，所述異形階梯段2樁號間距離36m，異形階梯段和順直段的底坡坡度相同，其 底坡的傾角9為45°，單寬流量80m3/s.m。各級「W」形階梯3_1的長度和高度相同，兩凸 角7對稱於過流面的中軸線6，單級「W」形階梯的長度La=2. 5m，高度ha=2. 5m，兩凸角7的角度a =60°。試驗測試表明與同等體型連續均勻「V」字階梯相比(下洩單寬流量為80m3/S.m)， 本實施例中的異形階梯消能工水流流態基本為貼壁流，「水翅」現象明顯弱化；基本沒有 被空置階梯存在；整體流態穩定，未被利用的階梯段水舌上緣高度下降約40%，消能率提高 5%,約為 80%。實施例4本實施例中，異形階梯消能工的結構如圖5、圖6所示，包括緊接進水口的順直段 1，與順直段相接的異形階梯段2，所述異形階梯段2的各級階梯為形。所述順直段1 樁號間距離17m，所述異形階梯段2樁號間距離108m，異形階梯段和順直段的底坡坡度相 同，其底坡的傾角9為18.4°，單寬流量90m3/s.m。各級「」形階梯3_2的長度和高度 相同，兩凸弧面8對稱於過流面的中軸線6，單級「 (0 」形階梯的長度L b=9m,高度h b=3m，兩 凸弧面8的半徑R=9m。試驗測試表明與同等體型連續均勻「V」字階梯相比(下洩單寬流量為90m3/S.m)， 本實施例中的異形階梯消能工水流流態基本為貼壁流，「水翅」現象明顯弱化；基本沒有 被空置階梯存在；整體流態穩定，未被利用的階梯段水舌上緣高度下降約55%，消能率提高 6%,約為 80%,。實施例5本實施例中，異形階梯消能工的結構如圖7、圖8所示。與實施例4不同之處是在 順直段1上設置有前置摻氣坎4。所述置摻氣坎設置在距離第1級「《 」形階梯起點7m處， 其坡比為i=l: 3，其側面垂直於順直段，高度h。=0. 5m。試驗測試表明與同等體型連續均勻「V」字階梯相比(下洩單寬流量為90m3/S.m)， 本實施例中的異形階梯消能工水流流態基本為貼壁流，「水翅」現象明顯弱化；基本沒有 被空置階梯存在；整體流態穩定，未被利用的階梯段水舌上緣高度下降約60%，消能率提高 10%約為85%，負壓區面積減小30%，對抗空蝕破壞更有利。實施例6本實施例中，異形階梯消能工的結構如圖5、圖6所示，包括緊接進水口的順直段 1，與順直段相接的異形階梯段2，所述異形階梯段2的各級階梯為形。所述順直段1 樁號間距離12m，所述異形階梯段2樁號間距離36m，異形階梯段和順直段的底坡坡度相同， 其底坡的傾角9為45°。各級形階梯3-2的長度和高度相同，兩凸弧面8對稱於過 流面的中軸線6，單級形階梯的長度Lb =3m，高度hb =3m，兩凸弧面8的半徑R=3m。試驗測試表明與同等體型連續均勻「V」字階梯相比(下洩單寬流量為90m3/S.m)， 本實施例中的異形階梯消能工水流流態基本為貼壁流，「水翅」現象明顯弱化；基本沒有 被空置階梯存在；整體流態穩定，未被利用的階梯段水舌上緣高度下降約50%，消能率提高 5%，約為 78%。
權利要求
1.一種異形階梯消能工，包括緊接進水口的順直段(1)，其特徵在於還包括與順直段 相接的異形階梯段(2)，所述異形階梯段(2)的各級階梯為「W」形或「 (0 」形，異形階梯段(2) 的底坡坡度與順直段(1)的底坡坡度相同，順直段的長度異形階梯段的長度=i rio0
2.根據權利要求1所述異形階梯消能工，其特徵在於所述異形階梯段的各級階梯(3) 長度和高度相同，各級階梯的長度均為0. ri8m，各級階梯的高度均為0. 5 3m。
3.根據權利要求2所述異形階梯消能工，其特徵在於當異形階梯段的各級階梯(3)為 「W」形時，其兩凸角(7)的角度相等且對稱於過流面的中軸線(6)，兩凸角的角度a=3(T 150。。
4.根據權利要求2所述異形階梯消能工，其特徵在於當異形階梯段的各級階梯(3)為 」形時，其兩凸弧面(8)的半徑相等且對稱於過流面的中軸線(6)，兩凸弧面的半徑R=0. 4 18m。
5.根據權利要求1至4中任一權利要求所述異形階梯消能工，其特徵在於異形階梯段 (2)和順直段(1)的底坡傾角0=8 65°。
6.根據權利要求1至4中任一權利要求所述異形階梯消能工，其特徵在於所述順直段 (1)上設置有前置摻氣坎(4)。
7.根據權利要求5所述異形階梯消能工，其特徵在於所述順直段(1)上設置有前置摻 氣坎(4)。
全文摘要
本發明所述異形階梯消能工，包括緊接進水口的順直段、與順直段相接的異形階梯段，所述異形階梯段的各級階梯為「W」形或「ω」形，異形階梯段的底坡坡度與順直段的底坡坡度相同，順直段的長度∶異形階梯段的長度=1∶1~10。所述異形階梯段的各級階梯長度和高度相同，各級階梯的長度均為0.4~18m，各級階梯的高度均為0.5~3m。可在順直段增設前置摻氣坎，以提高抗空蝕破壞的能力。
文檔編號E02B8/06GK102720170SQ201210164218
公開日2012年10月10日 申請日期2012年5月24日 優先權日2012年5月24日
發明者餘飛, 劉善均, 周茂林, 崔瑞, 張建民, 張法星, 曲景學, 王韋, 田忠, 聶境, 許唯臨, 鄧軍 申請人:四川大學