[发明专利]异形阶梯消能工

说明书

技术领域

本发明属于内流泄洪消能设施，特别涉及一种用于溢洪道（洞）或坝面溢流的阶梯消能工。

背景技术

田忠等在四川大学学报（工程科学版）公开了一种“V”形台阶溢洪道（见第42卷第2期，P21-25，2010年3月），由均匀连续“V”形阶梯构成。经数值模拟以及物理模型验证，其水流结构以及消能效果较传统均匀连续“一”形阶梯确实发生较大变化，如：传统均匀连续“一”形阶梯漩涡结构呈现2元平面特征，而均匀连续“V”形阶梯漩涡结构呈现3元流特征，同等体型条件下，均匀连续“V”形阶梯的消能率高于传统均匀连续“一”形阶梯。均匀连续“V”形阶梯虽然能提高消能率，改善水流结构，但却存在以下不足：1、由于阶梯边界由原来的直线“一”形变为带有尖锐凸角的折线“V”形，因此在前几级阶梯上极易产生“水翅”现象，所谓“水翅”现象是指水流下泄形成的水舌由于速度较大，水流边壁形状突然改变，在第1级阶梯面上水舌冲击力大于水舌重力，受到阶梯面的反作用力，射流方向改变，水舌被抛射并越过数级阶梯的现象。2、“水翅”现象的发生会使水流翻越溢洪道边墙冲刷岸坡或相邻建筑物基础，从而影响建筑物的安全运行。3、若不设法减弱或消除“水翅”现象，势必增加溢洪道边墙设计高度，提高工程造价。4、由于水舌被抛射并越过数级阶梯，部分阶梯被空置，减少了有效消能阶梯数目，降低消能率。5、当水舌跃离数级阶梯经抛射直接作用于某级阶梯，会增加该级阶梯负荷，影响该级阶梯稳定性。总之，伴随“水翅”现象的潜在问题使得均匀连续“V”形阶梯在实际工程中的实用性大大降低。

发明内容

本发明的目的是提供一种异形阶梯消能工，以减弱“水翅”现象，增加有效消能阶梯的数量，提高消能率。

本发明所述异形阶梯消能工，包括紧接进水口的顺直段、与顺直段相接的异形阶梯段，所述异形阶梯段的各级阶梯为“W”形或“ω”形，异形阶梯段的底坡坡度与顺直段的底坡坡度相同，顺直段的长度∶异形阶梯段的长度=1∶1~10。所述“ω”形阶梯是将“W”形阶梯的竖直边界面圆弧化的产物，因而两种形状属于一个总的发明构思，圆滑的“ω”型阶梯边界相比“W”型阶梯在实际工程中的使用寿命增长。

本发明所述异形阶梯消能工，可在顺直段增设前置掺气坎，以提高抗空蚀破坏的能力。

上述异形阶梯消能工，其异形阶梯段的各级阶梯长度和高度相同，各级阶梯的长度均为0.4~18m，各级阶梯的高度均为0.5~3m。当异形阶梯段的各级阶梯为“W”形时，其两凸角的角度相等且对称于过流面的中轴线，两凸角的角度α=30~150°。当异形阶梯段的各级阶梯为“ω”形时，其两凸弧面的半径相等且对称于过流面的中轴线，两凸弧面的半径R =0.4~18m。

试验表明，上述异形阶梯消能工的异形阶梯段和顺直段的底坡坡度θ=8~65°。

本发明具有以下有益效果：

1、与“V”形台阶（阶梯）相比，本发明所述“W”形或“ω”形阶梯消能工优化了水流流态，将“V”形台阶（阶梯）产生的大水翅变为了小水翅（见图9、图10），因而未被利用的阶梯段明显缩短，增加了有效消能阶梯的个数，提高了消能率。

2、由于水流流态的水翅现象被弱化，因而有利于建筑物的安全运行和施工成本的降低。

3、由于“W”或“ω”形异型阶梯上耗散涡为3D螺旋状（见图11、图12），且边界经几何分形后，耗散涡个数以y=2n的速度增长（其中y为单级阶梯上耗散涡的个数，n为边界分形次数：“W”和“ω”形经2次分形，故n=2），为消能率提高提供重要保证，试验研究表明，相对于“V”形台阶或阶梯（“V”形经1次分形，故n=1），消能率至少提高5%~20%。

4、由于对边界进行了几何分形，边界由直变曲的直接结果拓展了单级阶梯消能空间并增加了阶梯横轴方向的糙率。

5、由于水流流态发生改变，因此阶梯上压强分布呈负压减小趋势，负压区面积的减小使得水流空化数相对于“V”形台阶（阶梯）提高1.5~2.0倍，可减小或避免形成空蚀破坏。

6、由于在顺直段增设了前置掺气坎，进一步提高了防空蚀破坏性能。

7、结构形式简单，施工可操作性强，具有广阔的应用前景。

附图说明

图1是本发明所述异形阶梯消能工的第一种结构示意图，异形阶梯段的各级阶梯为“W”形；

图2是图1的俯视图；

图3是本发明所述异形阶梯消能工的第二种结构示意图，异形阶梯段的各级阶梯为“W”形，顺直段上设置有前置掺气坎；

图4是图3的俯视图；