[发明专利]倒坡式阶梯消能工

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

阶梯的消能方式属内流消能，因其结构特殊性导致水流结构改变，加之边界糙率的影响，水流自身紊动增强，易形成旋滚，带动产生能量耗散涡，极易实现势能向紊动能及热能的转化，消能效果好；并且其实用性强，所需经济成本低、施工方便、便于检修，因此，发展前景十分广阔。传统均匀连续“一”形阶梯（简称传统阶梯）在实际工程应用中受到普遍好评，但是随着我国水利工程的发展，传统阶梯的适应性变差，其弊端逐渐显现。分析原因，近10年来，我国的大型水利工程均呈现高坝大库的特征，与之对应在泄洪消能环节的要求及难度越来越大，据统计表明，传统阶梯用于下泄单宽流量在50m³/s-m以上的水流时，存在以下不足：1、消能率明显下降，沿程消除大部分势能的优势明显弱化；2、下泄流量增大，阶梯面上水流经过时流速迅速增大，由能量守恒便知，压强锐减，这一趋势使空蚀破坏发生的可能性陡增。

发明内容

本发明的目的是提供一种倒坡式阶梯消能工，以改善水流结构，增强消能效果，降低空蚀破坏的发生。

本发明的技术方案：对传统“一”形阶梯进行改进，将其水平上表面（坡比i₁=0）改变为倒坡面（坡比i₁<0），竖直面保持不变。

本发明所述倒坡式阶梯消能工，包括紧接进水口的顺直段、与顺直段相接的倒坡式阶梯段，所述倒坡式阶梯段由多级倒坡式阶梯组成，所述倒坡式阶梯是上表面为倒坡面的阶梯（其侧面仍然为竖直面），倒坡式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∶倒坡式阶梯段的长度=1∶1~10。

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

上述倒坡式阶梯消能工，其各级倒坡式阶梯的水平投影长度和高度相同，其水平投影长度L₁ =0.4~18m，其高度h₁ =0.5~3m。

上述倒坡式阶梯消能工，其各级倒坡式阶梯的倒坡面坡比i₁相同，优选为：－(1:0.8)≤i₁≤－(1:20)。

试验表明，上述倒坡式阶梯消能工的倒坡式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、本发明所述倒坡式阶梯消能工与传统阶梯消能工相比，由于单级阶梯的水平投影长度缩短，阶梯凸角被锐化（见图5、图6），因而相对于阶梯段桩号间距离相同、单级阶梯等宽及等高的传统阶梯消能工，沿程阶梯级数增加，沿程糙率相应加大，单级阶梯上的能量损耗明显提高，消能率沿程逐级累加，试验表明，消能率至少提高5%~20%

2、本发明所述倒坡式阶梯的倒坡面具有挑坎的作用，使得水流冲击倒坡面入射夹角变大（见图5、图6），动能冲击更加剧烈，冲击动能转化为水流内部紊动能的转化率提高， 因而使得水流内部紊动增强，形成耗散涡的机率加大，整体消能率增强。

3、本发明所述倒坡式阶梯消能工结构简单，施工可操作性强，体型容易优化，只需通过调节倒坡式阶梯的倒坡面坡比，就可适应不同的实际水工工程。

4、本发明所述倒坡式阶梯消能工，在来流较小的情况下，仅该结构本身就能满足工程需求；随着来流的增加，配合前置掺气坎可保护前几级易发生空蚀破坏的阶梯，使其抗空蚀的能力增强，适用范围增大。

附图说明

图1是本发明所述倒坡式阶梯消能工的第一种结构示意图；

图2是图1的俯视图；

图3是本发明所述倒坡式阶梯消能工的第二种结构示意图，顺直段上设置有前置掺气坎；

图4是图3的俯视图；

图5是本发明所述倒坡式阶梯消能工的消能机理示意图；

图6是传统“一”形阶梯消能工的消能机理示意图。