專利名稱：帶有過渡段的“v”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(tái)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”字變?yōu)閹в屑怃J凸角的折線“V”字型，因此在前幾級(jí)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I級(jí)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(jí)階梯的現(xiàn)象。2、“水翅”現(xiàn)象的發(fā)生會(huì)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(jià)。4、由于水舌被拋射并越過數(shù)級(jí)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(jí)階梯經(jīng)拋射直接作用于某級(jí)階梯，會(huì)增加該級(jí)階梯負(fù)荷，影響該級(jí)階梯穩(wěn)定性?？傊?，伴隨“水翅”現(xiàn)象的潛在問題使得均勻連續(xù)“V”字階梯消能工在實(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帶有過渡段的“V”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，提高實(shí)用性。本發(fā)明所述帶有過渡段的“V”形階梯消能工，包括緊接進(jìn)水口的順直段、主“V”形階梯段和過渡“V”形階梯段，所述過渡“V”形階梯段的一端接順直段，其另一端接主“V”形階梯段，過渡“V”形階梯段和主“V”形階梯段的底坡坡度與順直段的底坡坡度相同，順直段的長度過渡“V”形階梯段的長度主“V”形階梯段的長度=1 0. 5^3) f 10;所述過渡“V”形階梯段由幾何尺寸漸變的m個(gè)“V”形階梯組構(gòu)成，各“V”形階梯組由2 5級(jí)幾何尺寸相同的“V”形階梯構(gòu)成，所述m為3彡10的整數(shù)，所述幾何尺寸為單級(jí)階梯長度Lm、單級(jí)階梯高度hm、階梯“V”形凸角P ffl ;所述主“V”形階梯段的各級(jí)階梯長度、各級(jí)階梯高度、各級(jí)階梯“V”形凸角相等。本發(fā)明所述帶有過渡段的“V”形階梯消能工，可在順直段增設(shè)前置摻氣坎，以進(jìn)一步提聞抗空蝕破壞能力。上述帶有過渡段的“V”形階梯消能工，其過渡“V”形階梯段中，m個(gè)“V”形階梯組的單級(jí)階梯長度Lm沿水流方向逐漸從短變長、單級(jí)階梯高度hm沿水流方向逐漸從小變大、凸角Pm沿水流方向逐漸從大變小，0.05米彡Lm < L，0. I米彡hm<H，a < Pm <180°，所述L為主“V”形階梯段的單級(jí)階梯長度，所述H為主“V”形階梯段的單級(jí)階梯高度，所述a為主“V”形階梯段中階梯的“V”形凸角。上述帶有過渡段的“V”形階梯消能工，其特征在于主“V”形階梯段中，各級(jí)階梯的長度L=2. 5 35m，各級(jí)階梯的高度H=O. 5 5m，各級(jí)階梯的“V”形凸角a =30 150°。實(shí)驗(yàn)表明，上述述帶有過渡段的“V”形階梯消能工的順直段、過渡“V”形階梯段和主“V”形階梯段的底坡傾角0=8飛5°。本發(fā)明具有以下有益效果I、由于本發(fā)明所述帶有過渡段的“V”形階梯消能工設(shè)有過渡“V”形階梯段，且過渡“V”形階梯段由幾何尺寸漸變的m個(gè)“V”形階梯組構(gòu)成，沿水流方向，過渡“V”形階梯段階梯尺寸增至接近主“V”形階梯段的階梯尺寸，因而為水流適應(yīng)邊壁糙率的變化提供了時(shí)間與空間，有效的減弱或避免了 “水翅”現(xiàn)象的發(fā)生(見圖6)。 2、由于本發(fā)明所述帶有過渡段的“V”形階梯消能工的順直段與主“V”形階梯段之間設(shè)有過渡“V”形階梯段，因而經(jīng)過順直段的水流進(jìn)入過渡“V”形階梯段后貼壁流動(dòng)，與現(xiàn)有“V”形階梯消能工相比，增大了有效消能階梯段的長度(見圖5、圖6)。3、由于本發(fā)明所述帶有過渡段的“V”形階梯消能工的順直段與主“V”形階梯段之間設(shè)有過渡“V”形階梯段，因而水流躍離現(xiàn)象明顯削減，與現(xiàn)有“V”形階梯消能工相比，不會(huì)發(fā)生邊墻漫溢，提高了水工建筑物的安全性(見圖5、圖6)。4、由于順直段可增設(shè)前置摻氣坎，前置摻氣坎能有效保護(hù)階梯首部易發(fā)生空蝕破壞的階梯，因此拓展其適用范圍。


圖I是本發(fā)明所述帶有過渡段的“V”形階梯消能工的第一種結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是圖I的俯視圖；圖3是本發(fā)明所述帶有過渡段的“V”形階梯消能工的第二種結(jié)構(gòu)示意圖，順直段上設(shè)置有前置摻氣坎；圖4是圖3的俯視圖；圖5是現(xiàn)有技術(shù)中的“V”形臺(tái)階(階梯)溢洪道(消能工)的水流流態(tài)示意圖；圖6是本發(fā)明所述帶有過渡段的“V”形階梯消能工的水流流態(tài)示意圖；圖中，I一順直段，2—過渡“V”形階梯段，3—主“V”形階梯段，4一前置摻氣坎，5—邊墻，6—中軸線，7—第I個(gè)“V”形階梯組，8—第m — I個(gè)“V”形階梯組，9一第m個(gè)“V”形階梯組，10—3D漩潤，0 一順直段、過渡“V”形階梯段和主“V”形階梯段的底坡傾角，L一主“V”形階梯段的單級(jí)階梯長度、H—主“V”形階梯段的單級(jí)階梯高度、a—主“V”形階梯段的“V”形凸角、Lm—過渡“V”形階梯段的單級(jí)階梯長度、hm—過渡“V”形階梯段的單級(jí)階梯高度、a m—過渡“V”形階梯段的“V”形凸角、B—階梯寬度、i一前置摻氣坎坡比，h。一前置摻氣坎高度，La—現(xiàn)有技術(shù)中的“V”形臺(tái)階(階梯)溢洪道(消能工)未被利用的階梯段長度，Lb—本發(fā)明中過渡“V”形階梯段未被利用的階梯段長度。
具體實(shí)施方式
下面通過實(shí)施例對(duì)本發(fā)明所述帶有過渡段的“V”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4900km2，廠址控制集水面積為5540 km2。電站溢洪道最大工作水頭150m，最大下泄流量1230m3/s，設(shè)計(jì)溢洪道或壩面溢流寬度B = 10m，最大單寬流量123m3/s.m。實(shí)施例I本實(shí)施例中，帶有過渡段的“V”形階梯消能工的結(jié)構(gòu)如圖 I、圖2所示，由緊接進(jìn)水口的順直段I、與順直段相接的過渡“V”形階梯段2、與過渡“V”形階梯段相接的主“V”形階梯段3組成；所述順直段I樁號(hào)間距離17m，所述過渡“V”形階梯段2樁號(hào)間距離18m，所述主“V”形階梯段3樁號(hào)間距離90m，順直段、過渡“V”形階梯段和主“V”形階梯段的底坡坡度相同，其底坡傾角9為18. 4°，單寬流量75m3/s.m。所述主“V”形階梯段的各級(jí)階梯長度、各級(jí)階梯高度、各級(jí)階梯“V”形凸角相等，各級(jí)階梯的長度L=9m，各級(jí)階梯的高度H=3m，各級(jí)階梯的“V”形凸角a =60°。所述過渡“V”形階梯段2由6個(gè)“V”形階梯組構(gòu)成，第I個(gè)“V”形階梯組由5級(jí)幾何尺寸相同的“V”形階梯構(gòu)成，第2個(gè)“V”形階梯組由2級(jí)幾何尺寸相同的“V”形階梯構(gòu)成，第3個(gè)“V”形階梯組由2級(jí)幾何尺寸相同的“V”形階梯構(gòu)成，第4個(gè)“V”形階梯組由2級(jí)幾何尺寸相同的“V”形階梯構(gòu)成，第5個(gè)“V”形階梯組由2級(jí)幾何尺寸相同的“V”形階梯構(gòu)成，第6個(gè)“V”形階梯組由2級(jí)幾何尺寸相同的“V”形階梯構(gòu)成；第I個(gè)“V”形階梯組中，各級(jí)階梯的長度L1=O. 6m，各級(jí)階梯的高度4=0. 2m，各級(jí)階梯的“V”形凸角a 1=175° ;第2個(gè)“V”形階梯組中，各級(jí)階梯的長度L2=O. 9m，各級(jí)階梯的高度h2=0. 3m，各級(jí)階梯的“V”形凸角a2=155° ;第3個(gè)“V”形階梯組中，各級(jí)階梯的長度!^^^!!!，各級(jí)階梯的高度匕坤.^，各級(jí)階梯的“V”形凸角a3=135° ;第4個(gè)“V”形階梯組中，各級(jí)階梯的長度L4=1.5m，各級(jí)階梯的高度h4=0.5m，各級(jí)階梯的“V”形凸角a4=115° ;第5個(gè)“V”形階梯組中，各級(jí)階梯的長度L5=L Sm，各級(jí)階梯的高度1!5=0. 6m，各級(jí)階梯的“V”形凸角a 5=95° ;第6個(gè)“V”形階梯組中，各級(jí)階梯的長度L6=2. lm，各級(jí)階梯的高度匕坤.？!!!，各級(jí)階梯的“V”形凸角a6=75° 。試驗(yàn)測試表明本實(shí)施例中水流流態(tài)基本為貼壁流，與同等體型的現(xiàn)有技術(shù)中的“V”形階梯消能工相比(下泄單寬流量為75m3/s.m)，本實(shí)施例中的帶有過渡段的“V”形階梯消能工“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，過渡“V”形階梯段的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，帶有過渡段的“V”形階梯消能工的結(jié)構(gòu)如圖3、圖4所示。與實(shí)施例I不同之處是在順直段I上設(shè)置有前置摻氣坎4。所述置摻氣坎設(shè)置在距離過渡“V”形階梯段2的第I級(jí)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)測試表明本實(shí)施例中水流流態(tài)基本為貼壁流，與同等體型的現(xiàn)有技術(shù)中的“V”形階梯消能工相比(下泄單寬流量為75m3/s.m)，“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，過渡“V”形階梯段的水舌上緣高度下降約55%，消能率提高10%約為85%，前:T5級(jí)階梯最低負(fù)壓值減小30%，對(duì)抗空蝕破壞更有利。實(shí)施例3本實(shí)施例中，帶有過渡段的“V”形階梯消能工的結(jié)構(gòu)如圖I、圖2所示，由緊接進(jìn)水口的順直段I、與順直段相接的過渡“V”形階梯段2、與過渡“V”形階梯段相接的主“V”形階梯段3組成；所述順直段I樁號(hào)間距離5. 4m，所述過渡“V”形階梯段2樁號(hào)間距離6m，所述主“V”形階梯段3樁號(hào)間距離30m，順直段、過渡“V”形階梯段和主“V”形階梯段的底坡坡度相同，其底坡傾角9為45°，單寬流量75m3/s.m。所述主“V”形階梯段的各級(jí)階梯長度、各級(jí)階梯高度、各級(jí)階梯“V”形凸角相等，各級(jí)階梯的長度L=3m，各級(jí)階梯的高度H=3m，各級(jí)階梯的“V”形凸角a =120°。所述過渡“V”形階梯段2由3個(gè)“V”形階梯組構(gòu)成，第I個(gè)“V”形階梯組由4級(jí)幾何尺寸相同的“V”形階梯構(gòu)成，第2個(gè)“V”形階梯組由2級(jí)幾何尺寸相同的“V”形階梯構(gòu)成，第3個(gè)“V”形階梯組由2級(jí)幾何尺寸相同的“V”形階梯構(gòu)成；第I個(gè)“V”形階梯組中，各級(jí)階梯的長度L1=O. 5m，各級(jí)階梯的高度Ii1=O. 5m，各級(jí)階梯的“V”形凸角a 1=175° ；第2個(gè)“V”形階梯組中，各級(jí)階梯的長度L2=O. Sm,各級(jí)階梯的高度h2=0. 8m,各級(jí)階梯的“V”形凸角a2=155° ;第3個(gè)“V”形階梯組中，各級(jí)階梯的長度L3=L 2m，各級(jí)階梯的高度h3=1.2m，各級(jí)階梯的“V”形凸角a 3=135°。
試驗(yàn)測試表明本實(shí)施例中水流流態(tài)基本為貼壁流，與同等體型的現(xiàn)有技術(shù)中的“V”形階梯消能工相比(下泄單寬流量為75m3/s.m)，本實(shí)施例中的帶有過渡段的“V”形階梯消能工“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，過渡“V”形階梯段的水舌上緣高度下降約45%，消能率提高6%，約為80%。
權(quán)利要求
1.一種帶有過渡段的“V”形階梯消能エ，包括緊接進(jìn)水口的順直段(I)、主“V”形階梯段(3)，其特征在于還包括過渡“V”形階梯段(2)，所述過渡“V”形階梯段(2)的一端接順直段(1)，其另一端接主“V”形階梯段(3)，過渡“V”形階梯段(2)和主“V”形階梯段(3)的底坡坡度與順直段(I)的底坡坡度相同，順直段的長度過渡“V”形階梯段的長度主“V”形階梯段的長度=1 O. 5^3 Γ10 ； 所述過渡“V”形階梯段(2)由幾何尺寸漸變的m個(gè)“V”形階梯組構(gòu)成，各“V”形階梯組由2 5級(jí)幾何尺寸相同的“V”形階梯構(gòu)成，所述m為3 < m < 10的整數(shù)，所述幾何尺寸為單級(jí)階梯長度Lm、單級(jí)階梯高度hm、階梯“V”形凸角βπ; 所述主“ V”形階梯段(3)的各級(jí)階梯長度、各級(jí)階梯高度、各級(jí)階梯“V”形凸角相等。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述帶有過渡段的“V”形階梯消能エ，其特征在于過渡“ V”形階梯段(2)中，m個(gè)“V”形階梯組的單級(jí)階梯長度Lm沿水流方向逐漸從短變長、單級(jí)階梯高度hn沿水流方向逐漸從小變大、凸角沿水流方向逐漸從大變小,0.05米< Lni < L，O. I米^ hffl < H, α < βω< 180°，所述L為主“V”形階梯段(3)的單級(jí)階梯長度，所述H為主“V”形階梯段(3)的單級(jí)階梯高度，所述α為主“V”形階梯段(3)中階梯的“V”形凸角。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述帶有過渡段的“V”形階梯消能エ，其特征在于主“V”形階梯段(3)中，各級(jí)階梯的長度L=2.5 35m，各級(jí)階梯的高度H=0.5 5m，各級(jí)階梯的“ V”形凸角 α=30 150°。
4.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述帶有過渡段的“V”形階梯消能エ，其特征在于順直段(I)、過渡“ V”形階梯段(2)和主“ V”形階梯段(3)的底坡傾角θ=8飛5°。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述帶有過渡段的“V”形階梯消能エ，其特征在于順直段(I)、過渡“V”形階梯段(2)和主“V”形階梯段(3)的底坡傾角9=8^65°。
6.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述帶有過渡段的“V”形階梯消能エ，其特征在于所述順直段(I)上設(shè)置有前置摻氣坎(4)。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述帶有過渡段的“V”形階梯消能エ，其特征在于所述順直段(I)上設(shè)置有前置摻氣坎(4)。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述帶有過渡段的“V”形階梯消能エ，其特征在于所述順直段(I)上設(shè)置有前置摻氣坎(4)。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述帶有過渡段的“V”形階梯消能エ，其特征在于所述順直段(I)上設(shè)置有前置摻氣坎(4)。
全文摘要
帶有過渡段的“V”形階梯消能工，包括緊接進(jìn)水口的順直段、主 “V”形階梯段、過渡“V”形階梯段，所述過渡“V”形階梯段的一端接順直段，其另一端接主 “V”形階梯段，過渡“V”形階梯段和主“V”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∶過渡“V”形階梯段的長度∶主“V”形階梯段的長度=1∶0.5~3∶1~10；所述過渡“V”形階梯段由幾何尺寸漸變的m個(gè)“V”形階梯組構(gòu)成，各“V”形階梯組由2～5級(jí)幾何尺寸相同的“V”形階梯構(gòu)成，所述m為3≤m≤10的整數(shù)，所述幾何尺寸為單級(jí)階梯長度Lm、單級(jí)階梯高度hm、階梯“V”形凸角βm；所述主“V”形階梯段的各級(jí)階梯長度、各級(jí)階梯高度、各級(jí)階梯“V”形凸角相等。
文檔編號(hào)E02B8/06GK102704447SQ20121015745
公開日2012年10月3日 申請(qǐng)日期2012年5月18日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月18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(qǐng)人:四川大學(xué)