[发明专利]一种适用于阶梯溢流高坝的组合式掺气设施

说明书

本发明公开了一种适用于阶梯溢流高坝的组合式掺气设施，涉及水利工程水电工程技术领域。本发明将阶梯溢流坝的首级台阶设计大台阶形式，使墩后水流在大台阶作用下产生较大的掺气空腔，增加水流与空气的接触面积，通过高速水流下较大空腔可以卷吸入大量空气，提高阶梯溢流坝面掺气浓度；第二，在阶梯溢流坝面末端台阶水平面增设弧形掺气槽，通过强迫掺气的方式改变水流在传统阶梯内的水流流态，增加阶梯末端水流的掺气浓度，减少负压。这种组合式的掺气方式可以提高阶梯溢流坝面整体掺气减蚀能力，增大坝体的使用寿命。本发明阶梯溢流坝运用于景观设计具有较高的观赏性。

技术领域

本发明属于水利水电工程技术领域，具体涉及一种适用于阶梯溢流高坝的组合式掺气设施。

背景技术

我国首创宽尾墩＋阶梯溢流坝＋消力池联合消能工较好解决了高水头、大单宽流量泄洪建筑物的消能问题，被广泛的应用在一些大型水利工程中。尤其是在来流量不同的情况下，阶梯溢流坝面的水流流态大不相同，在水流来流量较小时，水流顺着台阶面一级级跌落，通过水体与水体、水体与坝面之间的不断碰撞，一方面加大了水流的消能效果，另一方面在水流跌落的过程中周围的空气被吸卷到水中，形成强烈的强迫式掺气的水气两相流；当上游来流量较大时，台阶内水流开始横向旋滚，旋滚的水流与直流之间剪切作用，加大了能量的耗散，从而可以减少下游消能池的长度。如贵州省沿河县的沙陀水电站，广西右江百色水电站，重庆万州区鱼背山水库等均采用宽尾墩＋阶梯溢流坝＋消力池联合消能工消能方式。百米级以上的高坝逐渐增多，通过坝面泄洪的单宽流量越来越大。这种新型的联合消能方式在保证高消能效果的同时，台阶面空化空蚀破坏问题日益突出，甚至有些坝面出现较大空蚀坑。福建水东水电站在宣泄单宽流量90m²/s·m洪水时，溢洪道遭到不同程度的空蚀破坏；阿海水电站在运行过程中，阶梯溢流坝出现大面积混凝土冲蚀、磨损现象。通过数值模拟与试验设计可得，在宽尾墩＋阶梯溢流坝＋消力池联合消能方式中台阶面由于水舌的覆盖，掺气量不足，出现的负压值较大，尤其是首级台阶负压最大。其次，在阶梯溢流坝末端台阶面上也发现较大负压，坝面出现的这种“双峰”现象，对坝体的稳定安全带来较大的危害。

发明内容

为了解决阶梯溢流坝出现的负压“双峰”问题，本发明提出一种适用于阶梯溢流高坝的组合式掺气设施

本发明的技术方案：一种适用于阶梯溢流高坝的组合式掺气设施，包括一个过渡台阶1、若干均匀台阶2和若干弧形掺气台阶，三者依次相连，所述过渡台阶1布置在阶梯溢流坝的首级台阶处，向上游连接宽尾墩8，所述弧形掺气台阶段布置在阶梯溢流坝的末端，向上连接均匀台阶2，下游连接反弧段9，弧形掺气台阶的竖直面上和水平面上都开设有凹陷的弧形槽，其竖直面包括竖直段3和竖直弧形槽6，水平面包括两端的第一水平段4和第二水平段5以及位于两者之间的水平弧形槽7，竖直弧形槽6一端与竖直段3相连，另一端与第一水平段4相连。

优选的，弧形掺气台阶的个数占过渡台阶1、均匀台阶2和弧形掺气台阶总数的25％至35％。

优选的，过渡台阶1的高度为h₁，h＜h₁≤4h，过渡台阶1的宽度为b₁，b＜b₁≤4b，其中h为均匀台阶2的高度，b为均匀台阶2的宽度，过渡台阶1与均匀台阶2的坡度角相同。竖直段3的高度h₂=0.25h～0.33h，第一水平段4的长度b₂=0.25b，第二水平段5的长度度b₃=0.25b，竖直弧形槽6距弧形掺气台阶竖直面的垂直距离h₃=0.09h～0.18h，水平弧形槽7距弧形掺气台阶水平面的垂直距离h₄=0.12b～0.2b，其中h为均匀台阶2的高度，b为均匀台阶2的宽度。均匀台阶2的高度h=0.25m～1.5m，均匀台阶2的宽度b＝0.25m～2.0m。