[发明专利]一种具有预掺气结构的阶梯溢洪道及施工方法

说明书

本发明公开了一种具有预掺气结构的阶梯溢洪道及施工方法，阶梯溢洪道包括若干个阶梯，在阶梯溢洪道掺气发生点的上游某一阶梯的出水口处设置有预掺气结构，当来流为急流，水流经过收缩边墙后形成射流水舌。本发明所述阶梯溢洪道结构简单，预掺气结构参数取值合理的情况下，可在各来流条件下均能形成射流水舌，射流水舌分别从底、侧空腔向水流底部和侧向掺气，从而实现全断面掺气的效果，本发明提出的收缩式预掺气结构可提供掺气浓度高于2％的掺气水流，为下游阶梯提供掺气充分的预掺气水流，大幅消减阶梯溢洪道的掺气盲区，防止阶梯溢洪道空蚀破坏，扩大阶梯溢洪道的适用范围。

技术领域

本发明涉及泄水建筑物技术领域，具体涉及一种具有预掺气结构的阶梯溢洪道。

背景技术

在众多形式的泄水建筑物中，阶梯溢洪道能使泄流的能量沿程耗散，从而大幅减小下游所需建设的消力池长度，从而降低整个工程的造价，阶梯溢洪道已广泛应用于水利水电工程中。通常，阶梯溢洪道上水流表面可发生自掺气，掺气发生点下游的水流为掺气水流，这种掺气水流减免了溢洪道空蚀破坏。但是，在大单宽流量下(超过60m²/s)，阶梯溢洪道上的掺气发生点将显著地向下游移动，导致阶梯溢洪道上水流出现大范围掺气盲区(清水区)。当阶梯溢洪道掺气盲区内水流流速较大时，此区域内阶梯极易发生空蚀破坏，实际工程中已有多起案例，如我国鲁地拉水电站阶梯溢洪道就在掺气盲区内发生了严重的空蚀破坏。

掺气减蚀技术(即通过在水工泄水道上设置掺气设施)，可以向水流内掺入大量的空气，从而达到减免其空化空蚀破坏的目的。掺气减蚀技术简单、高效，目前大型水利水电工程的泄水建筑物一般都设有掺气设施。

为了消除阶梯溢洪道上游的掺气盲区，现有技术中将传统的掺气设施，如通气孔、跌坎和挑坎，设置在阶梯溢洪道上游，通气孔虽然可保证通气线路的顺畅，但其孔口易堵塞，影响掺气效果；跌坎和挑坎在大流量的情况下工作，由于重力的作用，空腔回水现象严重，其掺气效果亦不佳。因此，传统的掺气设施无法解决大单宽流量下的阶梯溢洪道空化空蚀问题。

发明内容

本发明的目的在于针对大单宽流量下阶梯溢洪道上游掺气不足，可能发生空蚀破坏的问题，提出一种具有预掺气结构的阶梯溢洪道及施工方法。

为实现以上目的，本发明采用如下技术方案：

一种具有预掺气结构的阶梯溢洪道，包括若干个阶梯，在阶梯溢洪道掺气发生点的上游某一阶梯的出水口处设置有预掺气结构，预掺气结构为一对直三棱柱，两个直三棱柱的结构相同，直三棱柱的底面为直角三角形edf，其中直角边ed与阶梯溢洪道边墙重合，直角边df与该阶梯出水口处的侧边重合，斜边ef与阶梯溢洪道边墙之间的夹角为收缩角θ；直三棱柱与阶梯溢洪道的边墙共同在该阶梯处形成了收缩式边墙4，一对直三棱柱在阶梯出水口处形成窄缝，窄缝的宽度为b，阶梯溢洪道宽度为B，窄缝宽度b与阶梯溢洪道宽度B的比值为断面收缩比γ，当来流为急流，水流经过收缩边墙后形成射流水舌。

优选地，来流佛氏数为1.2～1.7时，收缩角θ取值范围为18.4°～45°，断面收缩比γ取值范围为0.567～0.767。

优选地，预掺气结构设置于自阶梯溢洪道进口起的第2～5级阶梯的出水口处。依据阶梯溢洪道自掺气的特性，阶梯级数的增加并不影响掺气发生点位置的移动，即无论阶梯级数多少，设置在第2～5级台阶皆可有效掺气。

一种具有预掺气结构的阶梯溢洪道的施工方法，首先将在实验室中设计出实际阶梯溢洪道的物理模型并进行掺气减蚀试验，得到该实际阶梯溢洪道的掺气发生点，然后在掺气发生点上游的某一阶梯出水口处设置预掺气结构，预掺气结构与阶梯溢洪道一同施工，或在现有阶梯溢洪道上单独浇筑一对直三棱柱，使直三棱柱与已有阶梯溢洪道固结成一体。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：