專利名稱：異形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)：
田忠等在四川大學(xué)學(xué)報(bào)(工程科學(xué)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(xù)“V”形階梯構(gòu)成。經(jīng)數(shù)值模擬以及物理模型驗(yàn)證， 其水流結(jié)構(gòu)以及消能效果較傳統(tǒng)均勻連續(xù)“一”形階梯確實(shí)發(fā)生較大變化，如傳統(tǒng)均勻連 續(xù)“一”形階梯漩渦結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)2元平面特征，而均勻連續(xù)“V”形階梯漩渦結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)3元流特 征，同等體型條件下，均勻連續(xù)“V”形階梯的消能率高于傳統(tǒng)均勻連續(xù)“一”形階梯。均勻 連續(xù)“V”形階梯雖然能提高消能率，改善水流結(jié)構(gòu)，但卻存在以下不足1、由于階梯邊界由 原來的直線“一”形變?yōu)閹в屑怃J凸角的折線“V”形，因此在前幾級階梯上極易產(chǎn)生“水翅” 現(xiàn)象，所謂“水翅”現(xiàn)象是指水流下泄形成的水舌由于速度較大，水流邊壁形狀突然改變，在 第1級階梯面上水舌沖擊力大于水舌重力，受到階梯面的反作用力，射流方向改變，水舌被 拋射并越過數(shù)級階梯的現(xiàn)象。2、“水翅”現(xiàn)象的發(fā)生會使水流翻越溢洪道邊墻沖刷岸坡或相 鄰建筑物基礎(chǔ)，從而影響建筑物的安全運(yùn)行。3、若不設(shè)法減弱或消除“水翅”現(xiàn)象，勢必增 加溢洪道邊墻設(shè)計(jì)高度，提高工程造價。4、由于水舌被拋射并越過數(shù)級階梯，部分階梯被空 置，減少了有效消能階梯數(shù)目，降低消能率。5、當(dāng)水舌躍離數(shù)級階梯經(jīng)拋射直接作用于某級 階梯，會增加該級階梯負(fù)荷，影響該級階梯穩(wěn)定性。總之，伴隨“水翅”現(xiàn)象的潛在問題使得 均勻連續(xù)“V”形階梯在實(shí)際工程中的實(shí)用性大大降低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種異形階梯消能工，以減弱“水翅”現(xiàn)象，增加有效消能階 梯的數(shù)量，提高消能率。本發(fā)明所述異形階梯消能工，包括緊接進(jìn)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(chǎn)物，因而兩種形狀屬于一個總的發(fā)明構(gòu)思，圓滑的“《 ”型 階梯邊界相比“W”型階梯在實(shí)際工程中的使用壽命增長。本發(fā)明所述異形階梯消能工，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(dāng)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于過流面的中軸線，兩凸角的角度a =3(T150°。當(dāng)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于過流面的中軸線，兩凸弧面的半徑 R =0. 4 18m。
試驗(yàn)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(fā)明具有以下有益效果I、與“V”形臺階(階梯)相比，本發(fā)明所述“W”形或“形階梯消能工優(yōu)化了水流 流態(tài)，將“V”形臺階(階梯)產(chǎn)生的大水翅變?yōu)榱诵∷?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(shù)，提高了消能率。2、由于水流流態(tài)的水翅現(xiàn)象被弱化，因而有利于建筑物的安全運(yùn)行和施工成本的 降低。3、由于“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(jīng) 幾何分形后，耗散渦個數(shù)以y=2n的速度增長(其中y為單級階梯上耗散渦的個數(shù)，n為邊界 分形次數(shù)“W”和“ ω ”形經(jīng)2次分形，故n=2)，為消能率提高提供重要保證，試驗(yàn)研究表明， 相對于“V”形臺階或階梯(“V”形經(jīng)I次分形，故n=l)，消能率至少提高59^20%。4、由于對邊界進(jìn)行了幾何分形，邊界由直變曲的直接結(jié)果拓展了單級階梯消能空 間并增加了階梯橫軸方向的糙率。5、由于水流流態(tài)發(fā)生改變，因此階梯上壓強(qiáng)分布呈負(fù)壓減小趨勢，負(fù)壓區(qū)面積的 減小使得水流空化數(shù)相對于“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、由于在順直段增設(shè)了前置摻氣坎，進(jìn)一步提高了防空蝕破壞性能。7、結(jié)構(gòu)形式簡單，施工可操作性強(qiáng)，具有廣闊的應(yīng)用前景。


圖I是本發(fā)明所述異形階梯消能工的第一種結(jié)構(gòu)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(fā)明所述異形階梯消能工的第二種結(jié)構(gòu)示意圖，異形階梯段的各級階梯 為“W”形，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)明所述異形階梯消能工的第三種結(jié)構(gòu)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(fā)明所述異形階梯消能工的第四種結(jié)構(gòu)示意圖，異形階梯段的各級階梯 為“形，順直段上設(shè)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(tài)示意圖；圖10是本發(fā)明所述異形階梯消能工(“W”形或“ ω ”形)的水流流態(tài)示意圖；圖11是本發(fā)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(jī)
理示意圖；圖12是本發(fā)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(jī)
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—邊墻，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(fā)明所述異形階梯消能工中未被利用的階梯段長度，h2—本發(fā)明所述異形階 梯消能工中第一級階梯的跌落高度。
具體實(shí)施例方式下面通過實(shí)施例對本發(fā)明所述異形階梯消能工作進(jìn)一步說明。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，最大下泄流量990m3/s，設(shè)計(jì)溢洪道或壩面溢流寬度B=1 lm,最 大單寬流量99m3/s. m。實(shí)施例1本實(shí)施例中，異形階梯消能工的結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示，包括緊接進(jìn)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對稱于過流面的中軸線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(yàn)測試表明與同等體型連續(xù)均勻“V”字階梯相比(下泄單寬流量為80m3/S.m)， 本實(shí)施例中的異形階梯消能工水流流態(tài)基本為貼壁流，“水翅”現(xiàn)象明顯弱化；基本沒有 被空置階梯存在；整體流態(tài)穩(wěn)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(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1不同之處是在 順直段1上設(shè)置有前置摻氣坎4。所述置摻氣坎設(shè)置在距離第1級“W”形階梯起點(diǎn)7m處， 其坡比為i=l: 3，其側(cè)面垂直于順直段，高度he=0. 5m。試驗(yàn)測試表明與同等體型連續(xù)均勻“V”字階梯相比(下泄單寬流量為80m3/S.m)， 本實(shí)施例中中的異形階梯消能工水流流態(tài)基本為貼壁流，“水翅”現(xiàn)象明顯弱化；基本沒有 被空置階梯存在；整體流態(tài)穩(wěn)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(fù)壓區(qū)面積減小30%，對抗空蝕破壞更有利。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1、圖2所示，包括緊接進(jìn)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對稱于過流面的中軸線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(yàn)測試表明與同等體型連續(xù)均勻“V”字階梯相比(下泄單寬流量為80m3/S.m)， 本實(shí)施例中的異形階梯消能工水流流態(tài)基本為貼壁流，“水翅”現(xiàn)象明顯弱化；基本沒有 被空置階梯存在；整體流態(tài)穩(wěn)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(shí)施例4本實(shí)施例中，異形階梯消能工的結(jié)構(gòu)如圖5、圖6所示，包括緊接進(jìn)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對稱于過流面的中軸線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(yàn)測試表明與同等體型連續(xù)均勻“V”字階梯相比(下泄單寬流量為90m3/S.m)， 本實(shí)施例中的異形階梯消能工水流流態(tài)基本為貼壁流，“水翅”現(xiàn)象明顯弱化；基本沒有 被空置階梯存在；整體流態(tài)穩(wěn)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(shí)施例5本實(shí)施例中，異形階梯消能工的結(jié)構(gòu)如圖7、圖8所示。與實(shí)施例4不同之處是在 順直段1上設(shè)置有前置摻氣坎4。所述置摻氣坎設(shè)置在距離第1級“《 ”形階梯起點(diǎn)7m處， 其坡比為i=l: 3，其側(cè)面垂直于順直段，高度h。=0. 5m。試驗(yàn)測試表明與同等體型連續(xù)均勻“V”字階梯相比(下泄單寬流量為90m3/S.m)， 本實(shí)施例中的異形階梯消能工水流流態(tài)基本為貼壁流，“水翅”現(xiàn)象明顯弱化；基本沒有 被空置階梯存在；整體流態(tài)穩(wěn)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(fù)壓區(qū)面積減小30%，對抗空蝕破壞更有利。實(shí)施例6本實(shí)施例中，異形階梯消能工的結(jié)構(gòu)如圖5、圖6所示，包括緊接進(jìn)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對稱于過 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(yàn)測試表明與同等體型連續(xù)均勻“V”字階梯相比(下泄單寬流量為90m3/S.m)， 本實(shí)施例中的異形階梯消能工水流流態(tài)基本為貼壁流，“水翅”現(xiàn)象明顯弱化；基本沒有 被空置階梯存在；整體流態(tài)穩(wěn)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(quán)利要求
1.一種異形階梯消能工，包括緊接進(jìn)水口的順直段(1)，其特征在于還包括與順直段 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(jù)權(quán)利要求1所述異形階梯消能工，其特征在于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(jù)權(quán)利要求2所述異形階梯消能工，其特征在于當(dāng)異形階梯段的各級階梯(3)為 “W”形時，其兩凸角(7)的角度相等且對稱于過流面的中軸線(6)，兩凸角的角度a=3(T 150。。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述異形階梯消能工，其特征在于當(dāng)異形階梯段的各級階梯(3)為 ”形時，其兩凸弧面(8)的半徑相等且對稱于過流面的中軸線(6)，兩凸弧面的半徑R=0. 4 18m。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一權(quán)利要求所述異形階梯消能工，其特征在于異形階梯段 (2)和順直段(1)的底坡傾角0=8 65°。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一權(quán)利要求所述異形階梯消能工，其特征在于所述順直段 (1)上設(shè)置有前置摻氣坎(4)。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述異形階梯消能工，其特征在于所述順直段(1)上設(shè)置有前置摻 氣坎(4)。
全文摘要
本發(fā)明所述異形階梯消能工，包括緊接進(jìn)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(shè)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(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 申請人:四川大學(xué)