專利名稱：前置摻氣裝置的階梯消能工的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于水利水電工程中的消能設施，特別涉及一種用于溢洪道或壩面溢流的階 梯消能工。
背景技術：
工程實踐表明，在大流量和高水頭情況下(單寬流量q〉50m"s-m)，階梯消能工的 消能率將下降，通氣難、易空化、并可能產生空蝕破壞，故其應用范圍受到較大限制， 實際工程中階梯式消能工的單寬流量均小于50m3/s-m。為了增大階梯式消能工的應用范 圍， 一些學者把具有充分擴散而無空蝕之慮的摻氣分流墩與階梯式消能工相結合，充分 利用摻氣分流墩的水流分散及強摻氣作用，大幅度減小階梯壩面滑移水流的深度，強化 階梯消能效果，從而達到增大單寬流量、提高水頭應用范圍的目的，這種強迫摻氣型式 尚存在分流墩處水翅過高，下游水流流態(tài)較差等問題。也有學者把寬尾墩和階梯式消能 工相結合，充分利用寬尾墩水流垂向擴散，減小臺階過流單寬流量，加強挑流水舌兩側 摻氣和水舌入水摻氣作用，弱化階梯消能效果，從而達到增大單寬流量、提高水頭應用 范圍的目的，這種型式主要利用寬尾墩對水流的垂向擴散作用，實質是挑流消能的一種 消能型式，臺階本身只在小單寬流量水流不易起跳時發(fā)揮作用。Michael Pfister, WilliH. Hager(2006)曾研究過在表面自摻氣到達底部之前的第一級臺階下設置通氣孔已達到保 護前幾級臺階的形式，但是這種前置摻氣型式存在摻氣量和摻氣濃度不易控制或需要附 加供氣設備等問題。

發(fā)明內容
1本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種無需附加供氣設備完全依靠水流 自身增加摻氣效果的前置摻氣裝置的階梯消能工，此種消能工能有效地解決階梯式消能 工(應用在溢洪道或壩面)在大單寬流量運行時，增加消能率與改善抗空蝕破壞之間存 在矛盾的技術難題。
本發(fā)明所述前置摻氣裝置的階梯消能工，是在現(xiàn)有階梯消能工的上游適當位置(實 際工程中可在流速20m/s左右處)增設摻氣裝置。所述摻氣裝置有四種結構形式。
第一種結構形式摻氣裝置由挑坎、通氣孔和通氣井構成；挑坎設置在溢洪道或壩 面溢流的底坡上，其形狀為"楔塊"狀，其后端面與階梯中第一階梯前端之間的距離 Lo以滿足水流的落點在第一階梯之前為限(保證水流的流態(tài)穩(wěn)定)；通氣孔位于溢洪道 或壩面溢流邊墻上且緊靠挑坎后端面，通氣井位于溢洪道或壩面溢流邊墻的外側，其上 端與大氣相通，其下端與通氣孔連通。
第二種結構形式摻氣裝置由挑坎、摻氣槽、通氣孔和通氣井構成；挑坎設置在溢 洪道或壩面溢流的底坡上，其形狀為"楔塊"狀，其后端面與階梯中第一階梯前端之間 的距離U以滿足水流的落點在第一階梯之前為限(保證水流的流態(tài)穩(wěn)定)；摻氣槽位于 溢洪道或壩面溢流底坡上且緊靠挑坎后端面；通氣孔位于溢洪道或壩面溢流邊墻上且緊 靠挑坎后端面，通氣井位于溢洪道或壩面溢流邊墻的外側，其上端與大氣相通，其下端 與通氣孔連通。
第三種結構形式摻氣裝置由挑坎、跌坎、通氣孔和通氣井構成；挑坎設置在溢洪 道或壩面溢流的底坡上，其形狀為"楔塊"狀，其后端面與階梯中第一階梯前端之間的 距離Lo以滿足水流的落點在第一階梯之前為限(保證水流的流態(tài)穩(wěn)定)；跌坎位于溢洪 道或壩面溢流底坡且在挑坎之下；通氣孔位于溢洪道或壩面溢流邊墻上且緊靠挑坎后端 面，通氣井位于溢洪道或壩面溢流邊墻的外側，其上端與大氣相通，其下端與通氣孔連 通。
第四種結構形式摻氣裝置由挑坎、跌坎、摻氣槽、通氣孔和通氣井構成；挑坎設 置在溢洪道或壩面溢流的底坡上，其形狀為"楔塊"狀，其后端面與階梯中第一階梯前 端之間的距離Lo以滿足水流的落點在第一階梯之前為限(保證水流的流態(tài)穩(wěn)定)；跌坎 位于溢洪道或壩面溢流底坡且在挑坎之下；摻氣槽位于溢洪道或壩面溢流底坡上且在跌 坎下方；通氣孔位于溢洪道或壩面溢流邊墻上且緊靠挑坎后端面，通氣井位于溢洪道或 壩面溢流邊墻的外側，其上端與大氣相通，其下端與通氣孔連通。
上述摻氣裝置中，挑坎的坡度1一般為0<<1 : 3。
本發(fā)明所述前置摻氣裝置的階梯消能工的摻氣減蝕機理對于一般的階梯式消能 工，其前面幾級臺階水流流速較低，表面摻氣不能到達溢洪道或壩面溢流底部，尤其是 單寬流量較大時溢洪道或壩面溢流底部摻氣濃度更低，而臺階豎直面負壓一般較大，較 低的摻氣濃度不能有效保護臺階面，因此產生空蝕破壞。另一方面，前幾級臺階的消能 效果也較差。在階梯式消能工的上游適當位置設置摻氣裝置，可在階梯前形成穩(wěn)定的摻 氣空腔并將空氣導入該摻氣空腔，這樣顯著增加了溢洪道或壩面溢流底部前幾級階梯臺
階處的摻氣濃度，因而可加強臺階面的摻氣保護作用，減輕或避免臺階發(fā)生空蝕破壞的 可能性。同時，可大大提高臺階消能率。
本發(fā)明所述消能工中的摻氣裝置，根據(jù)階梯臺階高度初步確定的摻氣濃度進行設 計，通過調整摻氣裝置的結構和尺寸可控制溢洪道或壩面溢流底部的摻氣濃度。
本發(fā)明具有以下有益效果
1、 本發(fā)明所述消能工將摻氣裝置與階梯式消能工相組合，既可提高臺階消能率， 又能減輕或避免臺階發(fā)生空蝕破壞的可能性，有效解決了溢洪道或壩面溢流在大單寬流 量運行時，增加消能率與改善抗空蝕破壞之間存在矛盾的難題。
2、 本發(fā)明所述消能工結構簡單，體型優(yōu)化容易，可廣泛使用在不同流量和不同坡 度的溢洪道或壩面溢流。
3、 本發(fā)明所述消能工可通過調整摻氣裝置的結構和尺寸控制溢洪道或壩面溢流底 部的慘氣濃度，因此摻氣量和摻氣濃度易于控制。
4、 本發(fā)明所述消能工，由于控制了挑坎后端面與階梯中第一階梯前端之間的距離 Lo的長度，使其滿足水流的落點在第一階梯之前，因而能保證水流的流態(tài)穩(wěn)定。
5、 本發(fā)明所述消能工通過通氣井、通氣孔將空氣導入摻氣空腔，不需要附加供氣 設備，因而可節(jié)約投資。


圖1是本發(fā)明所述前置摻氣裝置的階梯消能工的第一種結構示意圖，摻氣裝置由挑 坎、通氣孔和通氣井構成，階梯在原來的坡度下水平一段距離L，再垂直跌落h，如此 交替排列；
圖2是圖1的俯視圖3是本發(fā)明所述前置摻氣裝置的階梯消能工的第二種結構示意圖，摻氣裝置由挑 坎、通氣孔和通氣井構成，階梯在原來的坡度下垂直跌落h,再水平一段距離L，如此 交替排列；
圖4是圖3的俯視圖5是本發(fā)明所述前置摻氣裝置的階梯消能工的第三種結構示意圖，摻氣裝置由挑 坎、摻氣槽、通氣孔和通氣井構成，階梯在原來的坡度下水平一段距離L，再垂直跌落
h,如此交替排列；
圖6是圖5的俯視圖;
圖7是本發(fā)明所述前置摻氣裝置的階梯消能工的第四種結構示意圖，摻氣裝置由挑
坎、摻氣槽、通氣孔和通氣井構成，階梯在原來的坡度下垂直跌落h，再水平一段距離
L，如此交替排列；
圖8是圖7的俯視圖9是本發(fā)明所述前置摻氣裝置的階梯消能工的第五種結構示意圖，摻氣裝置由挑 坎、跌坎、通氣孔和通氣井構成，階梯在原來的坡度下水平一段距離L，再垂直跌落h， 如此交替排列；
圖10是圖9的俯視圖11是本發(fā)明所述前置摻氣裝置的階梯消能工的第六種結構示意圖，摻氣裝置由 挑坎、跌坎、通氣孔和通氣井構成，階梯在原來的坡度下垂直跌落h,再水平一段距離 L，如此交替排列；
圖12是圖11的俯視圖13是本發(fā)明所述前置摻氣裝置的階梯消能工的第七種結構示意圖，摻氣裝置由 挑坎、跌坎、摻氣槽、通氣孔和通氣井構成，階梯在原來的坡度下水平一段距離L，再 垂直跌落h，如此交替排列；
圖14是圖13的俯視圖15是本發(fā)明所述前置摻氣裝置的階梯消能工的第八種結構示意圖，摻氣裝置由 挑坎、跌坎、摻氣槽、通氣孔和通氣井構成，階梯在原來的坡度下垂直跌落h，再水平 一段距離L，如此交替排列；
圖16是圖15的俯視圖。
圖中，1——底坡、2——挑坎、3——通氣孔、4——階梯、5——水面線、6——邊 墻、7——通氣井、8——摻氣槽、9——跌坎、i——挑坎坡度、^~~溢洪道或壩面溢流 坡度、A,——挑坎高度、A2——跌坎高度、A——摻氣槽槽深、L—階梯長度、h— 一階梯高度、LQ——挑坎后端面與階梯中第一階梯前端之間的距離、m—通氣井長度、 n——通氣井寬度。
具體實施例方式
實施例l
本實施例中的前置摻氣裝置的階梯消能工用于電站工程樞紐，電站集水面積為 5317km2，廠址控制集水面積為5754 km2。電站溢洪道最大工作水頭140m，最大下泄流 量760mVs，設計溢洪道寬度10m，底坡坡度0為18。，最大單寬流量76 mVs.m。
本實施例中的前置摻氣裝置的階梯消能工，其結構如圖3、圖4所示，包括設置在 溢洪道底坡1上的階梯4和位于階梯上游的摻氣裝置。摻氣裝置由挑坎2、通氣孔3和 通氣井7構成；挑坎2設置在溢洪道的底坡1上，其形狀為"楔塊"狀，其坡度i為1 : 5, 其高度A尸lm，其后端面與階梯中第一階梯前端之間的距離LQ=40m;通氣孔3為兩個， 分別位于溢洪道兩邊墻6上且緊靠挑坎2后端面，通氣孔尺寸為1.85mX1.5m:通氣井 7為兩個，分別位于溢洪道兩邊墻的外側，其上端與大氣相通，其下端與對應的通氣孔 連通，通氣井的尺寸為mXn =1.5mX1.5m。階梯4在原來的坡度下垂直跌落h，再水 平一段距離L，如此交替排列，階梯高度h-1.5m，長度L-4.5m。
試驗測試表明，本實施例中的消能工能保護階梯臺階表面，避免發(fā)生空蝕破壞，消 能率約為70%。
階梯4還可采用在原來的坡度下水平一段距離L，再垂直跌落h交替排列的結構， 如圖l、圖2所示。 實施例2
本實施例中的前置摻氣裝置的階梯消能工用于單寬流量50 70 m3/s.m、壩面溢流 底坡坡度0為13。的水電工程樞紐。
本實施例中的前置摻氣裝置的階梯消能工，其結構如圖7、圖8所示，包括設置在 壩面溢流底坡l上的階梯4和位于階梯上游的摻氣裝置。摻氣裝置由挑坎2、摻氣槽8、 通氣孔3和通氣井7構成；挑坎2設置在壩面溢流的底坡1上，其形狀為"楔塊"狀， 其坡度i為l:10,其高度A^0.5m，其后端面與階梯中第一階梯前端之間的距離Lo二 42m;摻氣槽8位于壩面溢流底坡且在挑坎2之下，槽深A-1.5m，其范圍為a、 b、 c、 d圍成的區(qū)域；通氣孔3為兩個，分別位于壩面溢流兩邊墻6上且緊靠挑坎2后端面， 通氣孔尺寸為1.5mX1.5m;通氣井7為兩個，分別位于壩面溢流兩邊墻6的外側，其 上端與大氣相通，其下端與對應的通氣孔連通，通氣井的尺寸為mXn =1.5mX1.5m。 階梯4在原來的坡度下垂直跌落h，再水平一段距離L，如此交替排列，階梯高度h二 2m,長度L^9m。
階梯4還可采用在原來的坡度下水平一段距離L,再垂直跌落h交替排列的結構， 如圖5、圖6所示。
實施例3
本實施例中的前置摻氣裝置的階梯消能工用于單寬流量50 70 m3/s.m、溢洪道底 坡坡度0為15。的水電工程樞紐。
本實施例中的前置摻氣裝置的階梯消能工，其結構如圖ll、圖12所示，包括設置 在溢洪道底坡1上的階梯4和位于階梯上游的摻氣裝置。摻氣裝置由挑坎2、跌坎9、 通氣孔3和通氣井7構成；挑坎2設置在溢洪道的底坡1上，其形狀為"楔塊"狀，其 坡度i為1 : 10，其高度Af0.5m,其后端面與階梯中第一階梯前端之間的距離L0= 39.78m;跌坎9位于溢洪道底坡且在挑坎2之下，跌坎高度A^1.5m;通氣孔3為兩個， 分別位于溢洪道兩邊墻6上且緊靠挑坎2后端面，通氣孔尺寸為1.85mX1.5m;通氣井 7為兩個，分別位于溢洪道兩邊墻的外側，其上端與大氣相通，其下端與對應的通氣孔 連通，通氣井的尺寸為mXn =1.85mX1.5m。階梯4在原來的坡度下垂直跌落h,再 水平一段距離L，如此交替排列，階梯高度h^2m，長度L二7.5m。
試驗測試表明，本實施例中的消能工可使表面摻氣濃度達到5%~9%,能保護階梯 臺階表面，避免其發(fā)生空蝕破壞，消能率約為70%。
階梯4還可采用在原來的坡度下水平一段距離L，再垂直跌落h交替排列的結構， 如圖9、圖IO所示。
實施例4
本實施例中的前置摻氣裝置的階梯消能工用于單寬流量50 70 m3/s.m、壩面溢流 底坡坡度^為14。的水電工程樞紐。
本實施例中的前置摻氣裝置的階梯消能工，其結構如圖15、圖16所示，包括設置 在壩面溢流底坡1上的階梯4和位于階梯上游的摻氣裝置。摻氣裝置由挑坎2、跌坎9、 摻氣槽8、通氣孔3和通氣井7構成；挑坎2設萱在壩面溢流的底坡1上，其形狀為"楔 塊"狀，其坡度i為l:8，其高度A產0.5m，其后端面與階梯中第一階梯前端之間的距 離L。^40m;跌坎9位于壩面溢流底坡且在挑坎2之下，跌坎高度A2-0.5m;摻氣槽8 位于跌坎9下方，槽深A4m，其范圍為a、 b、 c、 d圍成的區(qū)域；通氣孔3為兩個，分 別位于壩面溢流兩邊墻6上且緊靠挑坎2后端面，通氣孔尺寸為2.0mX1.5m;通氣井7 為兩個，分別位于壩面溢流兩邊墻6的外側，其上端與大氣相通，其下端與對應的通氣 孔連通，通氣井的尺寸為mXn =2.0mX1.5m。階梯4在原來的坡度下垂直跌落h,再 水平一段距離L，如此交替排列，階梯高度h二1.5m，長度L二6m。
階梯4還可采用在原來的坡度下水平一段距離L，再垂直跌落h交替排列的結構， 如圖13、圖14所示。
權利要求
1、一種前置摻氣裝置的階梯消能工，包括設置在底坡(1)上的階梯(4)，其特征在于還包括位于階梯上游的摻氣裝置，所述摻氣裝置包括挑坎(2)、通氣孔(3)和通氣井(7)，挑坎(2)設置在溢洪道或壩面溢流的底坡(1)上，其形狀為“楔塊”狀，其后端面與階梯(4)中第一階梯前端之間的距離L0以滿足水流的落點在第一階梯之前為限，通氣孔(3)位于溢洪道或壩面溢流邊墻(6)上且緊靠挑坎(2)后端面，通氣井(7)位于溢洪道或壩面溢流邊墻的外側，其上端與大氣相通，其下端與通氣孔(3)連通。
2、 根據(jù)權利要求1所述的前置摻氣裝置的階梯消能工，其特征在于摻氣裝置還包 括摻氣槽(8)，摻氣槽(8)位于溢洪道或壩面溢流底坡(1)上且緊靠挑坎(2)后端面。
3、 根據(jù)權利要求1所述的前置摻氣裝置的階梯消能工，其特征在于摻氣裝置還包 括跌坎(9)，跌坎(9)位于溢洪道或壩面溢流底坡(1)且在挑坎(2)之下。
4、 根據(jù)權利要求3所述的前置摻氣裝置的階梯消能工，其特征在于摻氣裝置還包 括摻氣槽(8),摻氣槽(8)位于溢洪道或壩面溢流底坡(1)上且在跌坎(9)下方。
5、 根據(jù)權利要求1至4中任一權利要求所述的前置摻氣裝置的階梯消能工，其特 征在于挑坎(2)的坡度i為(Xi〈1 : 3。
全文摘要
一種前置摻氣裝置的階梯消能工，包括設置在底坡上的階梯及位于階梯上游的摻氣裝置。所述摻氣裝置有四種結構形式，第一種結構形式由挑坎、通氣孔和通氣井構成，第二種結構形式由挑坎、摻氣槽、通氣孔和通氣井構成，第三種結構形式由挑坎、跌坎、通氣孔和通氣井構成，第四種結構形式由挑坎、跌坎、摻氣槽、通氣孔和通氣井構成。此種消能工既可提高臺階消能率，又能減輕或避免臺階發(fā)生空蝕破壞的可能性，有效解決了溢洪道或壩面溢流在大單寬流量運行時，增加消能率與改善抗空蝕破壞之間存在矛盾的難題。
文檔編號E02B8/06GK101195999SQ20071005034
公開日2008年6月11日 申請日期2007年10月30日 優(yōu)先權日2007年10月30日
發(fā)明者劉善均, 張建民, 張毅馳, 勇 彭, 曲景學, 李貴吉, 韋 王, 許唯臨, 軍 鄧 申請人:四川大學