本發(fā)明涉及水利水電工程中的一種泄水建筑物水流越級(jí)流動(dòng)的防治方法及階梯消能工，主要用于平順并穩(wěn)定階梯流態(tài)，避免“越級(jí)流動(dòng)”現(xiàn)象的發(fā)生，同時(shí)提高消能效果，滿足工程安全等需要。

背景技術(shù)：
隨著水利水電工程建設(shè)的不斷發(fā)展，泄水建筑物高速水流問題日益突出。其中，消能防沖和空化空蝕問題尤為引人關(guān)注，一直是工程設(shè)計(jì)中亟待解決的難題和制約性問題。相對(duì)于傳統(tǒng)泄洪消能方式，如挑流、底流、面(戽)流等，階梯消能工具有自身特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。其中，水平階梯消能工由若干級(jí)長(zhǎng)度和高度固定的水平階梯組成。水流逐級(jí)下行，受到階梯作用從而形成強(qiáng)烈的橫軸旋滾和摻氣，使能量沿流程空間消散，對(duì)改善壩下沖刷，簡(jiǎn)化消能防沖設(shè)施，提高消能效率，避免空蝕及霧化發(fā)生等具有顯著成效。以水平階梯消能工為基礎(chǔ)，尾坎階梯消能工通過在每級(jí)階梯上設(shè)置結(jié)構(gòu)及尺寸恒定的尾坎，為摻氣旋滾的劇烈發(fā)展提供更大的空間，且減小波狀水流半徑以增加水流紊動(dòng)，從而具有更高的消能效果。越大的尾坎高度對(duì)應(yīng)越大的旋滾尺寸和能量以及越強(qiáng)的水流紊動(dòng)，帶來越高的消能率。然而，尾坎高度是受限制的，過高會(huì)造成與斷面水流弗汝德數(shù)的不匹配，從而導(dǎo)致“越級(jí)流動(dòng)”現(xiàn)象的發(fā)生?！霸郊?jí)流動(dòng)”指階梯水流違背逐級(jí)下行的規(guī)律，越過若干級(jí)階梯直接沖擊下游階梯面同時(shí)形成空腔的現(xiàn)象。該現(xiàn)象通常發(fā)生于尾坎階梯消能工的進(jìn)口段，其對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)體型及流態(tài)參數(shù)見圖1，其中，a和b分別為階梯長(zhǎng)度和高度、m為尾坎高度、Ls為越級(jí)水流長(zhǎng)度、Hs為越級(jí)水流高度。首先，“越級(jí)流動(dòng)”會(huì)造成階梯面的壓力異常，包括越級(jí)水流下方空腔內(nèi)的負(fù)壓以及其沖擊區(qū)域的荷載增大現(xiàn)象；其次，會(huì)導(dǎo)致水舌翻越邊墻和相關(guān)的一系列安全問題，因此需要在工程中設(shè)置更高的邊墻；最后，降低有效消能的階梯數(shù)量，對(duì)消能效果產(chǎn)生負(fù)面影響。這都將影響階梯消能工結(jié)構(gòu)的高效，安全和穩(wěn)定。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明提出一種泄水建筑物水流越級(jí)流動(dòng)的防治方法及階梯消能工，本發(fā)明一方面借助平順入流段的引流楔塊穩(wěn)定、平順階梯流態(tài)，尤其避免“越級(jí)流動(dòng)”現(xiàn)象的發(fā)生以及由此帶來的危害(包括壓力異常和翻越邊墻)，另一方面通過消能段階梯上的高尾坎得到高效的消能效果。本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：本發(fā)明所述一種泄水建筑物水流越級(jí)流動(dòng)的防治方法，將水流引至階梯消能工，并使水流首先經(jīng)過設(shè)置在階梯消能工臺(tái)階上的高度逐級(jí)升高的引流楔塊，并保持與沿程增大的水流弗汝德數(shù)相匹配，引導(dǎo)來流形成連續(xù)的平緩波狀水流，使波狀水流半徑以順滑的方式逐漸減小并最終與下游消能段水流銜接，保證水流平順且逐級(jí)下行。本發(fā)明所述一種泄水建筑物水流越級(jí)流動(dòng)的防治方法用階梯消能工，包括平順入流段及消能段，所述平順入流段包括一段階梯，在所述一段階梯的各級(jí)臺(tái)階上設(shè)有引流楔塊，所述消能段包括與所述一段階梯連接的另一段階梯，在所述另一段階梯的各級(jí)臺(tái)階上設(shè)有尾坎。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：階梯消能工的尾坎高度越大，對(duì)應(yīng)越大的旋滾尺寸和能量，就能帶來越高的消能率，但是，尾坎過高會(huì)造成與斷面水流弗汝德數(shù)的不匹配，從而導(dǎo)致“越級(jí)流動(dòng)”現(xiàn)象的發(fā)生?！霸郊?jí)流動(dòng)”指階梯水流違背逐級(jí)下行的規(guī)律，越過若干級(jí)階梯直接沖擊下游階梯面同時(shí)形成空腔的現(xiàn)象，因此，尾坎最高高度是受限制的，這就造成消能效果不理想。高度逐級(jí)增大的引流楔塊首先打破了對(duì)尾坎最高高度的限制，使階梯消能工的尾坎高度得以大幅度提高，同時(shí)，保持與沿程增大的水流弗汝德數(shù)相匹配，再結(jié)合楔形結(jié)構(gòu)的引流作用，從而引導(dǎo)水流平順流經(jīng)、逐級(jí)下行，順利進(jìn)入消能段并避免“越級(jí)流動(dòng)”現(xiàn)象的發(fā)生，避免了水面涌起等流態(tài)突變和惡化，波狀水流半徑以順滑的方式逐漸減小并最終與下游消能段水流銜接。隨著尾坎最高高度限制的消除，各級(jí)階梯上尾坎的高度可以大幅度增加，從而形成具有大尺寸和能量的摻氣旋滾的階梯流動(dòng)，顯著提高消能率。特別要注意，平順入流段的階梯數(shù)須顯著小于消能段，使消能段具有足夠的階梯以得到顯著的消能效果，另外引流裝置的高度須小于或等于高坎的高度，確保水流平順進(jìn)入消能段。階梯消能工的流態(tài)穩(wěn)定、消能效果提高以及結(jié)構(gòu)和工程運(yùn)行安全等問題是十分重要的。本發(fā)明的有效性已得到試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易行，可以在獲得高消能率的同時(shí)，減免“越級(jí)流動(dòng)”現(xiàn)象的發(fā)生及其相關(guān)危害，最終保證消能工整體結(jié)構(gòu)和運(yùn)行的安全和穩(wěn)定。此外，本發(fā)明還具有以下優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)布置及施工簡(jiǎn)單；有效減免“越級(jí)流動(dòng)”現(xiàn)象；優(yōu)化水流流態(tài)，控制階梯面荷載；降低階梯面空蝕破壞風(fēng)險(xiǎn)；減小所需邊墻高度，避免因水流翻越邊墻所造成的危害；提高階梯消能工消能效果。本發(fā)明的目的、優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn)，將通過下面優(yōu)先實(shí)施例的非限制性說明進(jìn)行圖示和解釋，這些實(shí)施例是參照附圖僅作為例子給出的。附圖說明圖1是尾坎階梯消能工結(jié)構(gòu)及流動(dòng)示意圖。圖2是本發(fā)明平順入流階梯消能工結(jié)構(gòu)及流動(dòng)示意圖。圖3是工程實(shí)施例2工況1條件下方案1的實(shí)驗(yàn)照片。圖4是工程實(shí)施例2工況1條件下方案2的實(shí)驗(yàn)照片。圖5是工程實(shí)施例2工況1條件下方案3的實(shí)驗(yàn)照片。圖6是工程實(shí)施例2工況2條件下方案1的實(shí)驗(yàn)照片。圖7是工程實(shí)施例2工況2條件下方案2的實(shí)驗(yàn)照片。圖8是工程實(shí)施例2工況2條件下方案3的實(shí)驗(yàn)照片。圖中，1是越級(jí)水流，2是越級(jí)水流下方的空腔，3是越級(jí)水流的沖擊區(qū)域，4是平順入流段，5是消能段，6是引流楔塊，7是高尾坎，a為階梯長(zhǎng)度，b為階梯高度，n為平順入流段所包含的階梯數(shù)，Mn為引流楔塊高度，N為消能段所包含的階梯數(shù)，M為消能段的尾坎高度，Ls為越級(jí)水流長(zhǎng)度，Hs為越級(jí)水流高度。具體實(shí)施方式本發(fā)明所述的“越級(jí)流動(dòng)”防治方法及階梯消能工，在保持消能工總落差即階梯總數(shù)不變的條件下，分為平順入流段和消能段兩部分：通過平順入流段所設(shè)置的引流楔塊引導(dǎo)水流平順、逐級(jí)下行，避免“越級(jí)流動(dòng)”的發(fā)生；運(yùn)用消能段的高尾坎，增大階梯水流的摻氣旋滾尺寸和能量，顯著提高消能效果。實(shí)施例1一種泄水建筑物水流越級(jí)流動(dòng)的防治方法，將水流引至階梯消能工，并使水流首先經(jīng)過設(shè)置在階梯消能工臺(tái)階上的高度逐級(jí)升高的引流楔塊6，并保持與沿程增大的水流弗汝德數(shù)相匹配，引導(dǎo)來流形成連續(xù)的平緩波狀水流，使波狀水流半徑以順滑的方式逐漸減小并最終與下游消能段水流銜接，保證水流平順且逐級(jí)下行。實(shí)施例2一種泄水建筑物水流越級(jí)流動(dòng)的防治方法用階梯消能工，包括平順入流段4及消能段5，所述順入流段4包括一段階梯，在所述一段階梯的各級(jí)臺(tái)階上設(shè)有引流楔塊6，所述消能段5包括與所述一段階梯連接的另一段階梯，在所述另一段階梯的各級(jí)臺(tái)階上設(shè)有尾坎7。在本實(shí)施例中，所述一段階梯的臺(tái)階上的引流楔塊6的高度逐級(jí)增大，并滿足M1＜M2＜…＜Mn≤M，M1、M2、…、Mn分別為所述一段階梯的第1、2、…、n級(jí)臺(tái)階上的引流楔塊高度，M為所述另一段階梯的臺(tái)階上的尾坎高度；消能段階梯數(shù)N大于平順入流段階梯數(shù)n。確保消能段包含足夠多的階梯對(duì)階梯流動(dòng)進(jìn)行充分消能。下面參照附圖，對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式作出更為詳細(xì)的描述。本發(fā)明所涉及的平順入流階梯消能工，如圖2所示，其中a為階梯長(zhǎng)度，b為階梯高度，n為平順入流段所包含的階梯數(shù)，Mn為引流楔塊高度，N為消能段所包含的階梯數(shù)，M為消能段的高坎高度。對(duì)于尾坎階梯消能工，沿程階梯及尾坎體型尺寸均保持一致，由于缺少平順入流段對(duì)水流的引導(dǎo)和穩(wěn)定作用，來流直接流經(jīng)尾坎階梯開始消能。當(dāng)為了提高尾坎階梯消能工的消能率而增大尾坎高度時(shí)，過高的尾坎高度m與進(jìn)口段較小的水流弗汝德數(shù)不匹配，會(huì)造成顯著的“越級(jí)流動(dòng)”現(xiàn)象，從而危害工程安全并且反而降低消能效果。這反映出尾坎高度m是受限制的。而本發(fā)明的平順入流階梯消能工，在保持總階梯數(shù)不變的前提下，分為平順入流段和消能段兩部分設(shè)置。平順入流段逐級(jí)增高的引流楔塊引導(dǎo)來流平順流經(jīng)、逐級(jí)下行，最終順利進(jìn)入消能段進(jìn)行消能。在這個(gè)過程中，引流楔塊高度Mn始終保持與水流弗汝德數(shù)的匹配，再結(jié)合楔形結(jié)構(gòu)的引流作用，從而避免了“越級(jí)流動(dòng)”的發(fā)生。消能段具有足夠的階梯數(shù)，而且各級(jí)階梯上的尾坎高度M顯著大于m，使平順入流階梯消能工具有顯著的消能效果。下面結(jié)合模型試驗(yàn)實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作出更為詳細(xì)的說明。下述模型實(shí)施例根據(jù)某水電站樞紐左岸泄水槽工程設(shè)計(jì)。該泄槽落差82.8m，水流經(jīng)高度為7.2m的WES曲線段進(jìn)入階梯消能工。階梯消能工總共包含21級(jí)階梯，階梯長(zhǎng)度為4.4m，高度為3.6m。泄槽寬度11.0m，最大流量為426.0m3/s。模型按照重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)，比尺為1/40，試驗(yàn)裝置包括水泵、進(jìn)水管、鋼板水箱、模型段和回水系統(tǒng)。運(yùn)用上述模型，專門研究了平順入流階梯消能工的流態(tài)及消能特性，并與尾坎階梯消能工經(jīng)行了對(duì)比，共設(shè)計(jì)3個(gè)方案，模型參數(shù)如下，具體參數(shù)含義如圖1-圖3：方案1是水平階梯消能工，共21級(jí)階梯，a＝11.0cm，b＝9.0cm；方案2是尾坎階梯消能工，共21級(jí)階梯，a＝11.0cm，b＝9.0cm，m＝4.2cm；方案3是平順入流階梯消能工共21級(jí)階梯，a＝11.0cm，b＝9.0cm，n＝3，M1＝1cm，M2＝2cm，M2＝3cm，N＝18，M＝4.2cm。消能率η通過測(cè)量來流及出流能量水頭H0和H1換算得到，越級(jí)水流長(zhǎng)度Ls和為高度Hs按圖1測(cè)量。表1各方案模型消能率、越級(jí)水流長(zhǎng)度、越級(jí)水流高度表1顯示方案1-方案3的流態(tài)及消能特性，工況1和工況2分別對(duì)應(yīng)原型單寬流量19.1m2/s和32.2m2/s。圖3-圖8為各方案在工況1和2時(shí)的流態(tài)照片?？梢钥吹?，通過在各級(jí)階梯上設(shè)置尾坎，方案2雖然較方案1增大了消能效果，然而過高的尾坎也導(dǎo)致了顯著的“越級(jí)流動(dòng)”現(xiàn)象發(fā)生如圖4和圖7所示，越級(jí)水流長(zhǎng)度和高度均較大，這表示m＝4.2cm超過了對(duì)尾坎高度的限制，在設(shè)計(jì)中是不允許的；方案3不僅較方案1和方案2具有更大的消能效果，而且如圖5和圖8所示，整體流態(tài)平順穩(wěn)定，水流逐級(jí)下行，不發(fā)生“越級(jí)流動(dòng)”，這表明對(duì)于平順入流階梯消能工，引流楔塊及尾坎高度的設(shè)計(jì)是合理的。試驗(yàn)資料表明，平順出流階梯消能工通過平順入流段引導(dǎo)來流平順進(jìn)入消能段進(jìn)行消能，避免了“越級(jí)流動(dòng)”現(xiàn)象以及相關(guān)危害，從而允許在消能段設(shè)置更高的尾坎，以獲得較水平階梯消能工和尾坎階梯消能工更為顯著的消能效果。本發(fā)明所提出的階梯消能工的“越級(jí)流動(dòng)”防治方法及平順入流階梯消能工，有效性得到充分的論證。