專利名稱：泄洪洞內(nèi)摻氣型曲線階梯消能工的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于水利水電工程中使用的消能設(shè)施，特別涉及一種用于高流速的兩高度不 同的平行泄洪洞或有壓隧洞與下游泄洪洞的曲線連接洞體的階梯消能工。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有工程中，兩高度不同的平行泄洪洞的連接洞體底板往往設(shè)計為光滑渥奇曲線， 由于連接洞體進口流速很大，導(dǎo)致連接洞體內(nèi)和連接洞體后的下游泄洪洞流速也很大， 因此要設(shè)置摻氣保護措施。為了達(dá)到消能的目的，減小對下游河道的沖刷，在泄洪洞出 口或者在泄洪洞內(nèi)需設(shè)置消力池等消能設(shè)施，但是需要較大的工程量，增加工程投資。
階梯消能工在水利工程中的應(yīng)用歷史雖然較長，但通常使用在溢流壩和溢洪道的直 坡上，與其它消能工一起使用，共同消能。對于高流速的明流泄洪洞，或者高流速有壓 出口的泄洪洞，設(shè)置突跌突擴型摻氣設(shè)施時，如果階梯面為傳統(tǒng)的水平面時，連接段水 流流態(tài)不好，容易產(chǎn)生水翅現(xiàn)象，同時階梯上難于產(chǎn)生橫向旋滾水流，而易產(chǎn)生空腔， 形成負(fù)壓區(qū)，因此一般不使用階梯消能工。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種泄洪洞內(nèi)摻氣型曲線階梯消能 工，以解決兩高度不同的平行泄洪洞或有壓隧洞與下游泄洪洞的連接洞體內(nèi)和下游泄洪 洞流速大，流態(tài)難以調(diào)節(jié)，容易空化空蝕、消能率低等問題，并減小工程量，降低工程 投資。
本發(fā)明的技術(shù)方案在曲線連接洞體的進口處設(shè)置摻氣裝置，在曲線連接洞體底板 上設(shè)置階梯消能工并對階梯體型進行優(yōu)化。
本發(fā)明所述泄洪洞內(nèi)摻氣型曲線階梯消能工，包括在兩高度不同的平行泄洪洞或有 壓隧洞與下游泄洪洞之間的曲線連接洞體進口處設(shè)置的摻氣裝置、在曲線連接洞體底板 上設(shè)置的階梯消能工，所述階梯消能工位于曲線連接洞體底板的調(diào)整斜坡段后，從高位 至低位，依次為斜面階梯段、過渡階梯段和水平階梯段，水平階梯段或直接與下游泄洪 洞底板相接，或通過反弧段、調(diào)整水平段與下游泄洪洞底板相接。
本發(fā)明所述泄洪洞內(nèi)摻氣型曲線階梯消能工的機理來自上游泄洪洞或有壓隧洞的
高速水流進入曲線連接洞體，曲線連接洞體進口處設(shè)置的摻氣裝置對水流側(cè)面和底部摻 氣，調(diào)整斜坡段調(diào)整好水舌與底板的接觸，有效的避免水舌沖擊底板，同時也可以為摻 氣裝置提供足夠的空腔長度；水舌流過調(diào)整斜坡段后，斜面階梯段和過渡階梯段將水流 過渡到水平階梯段，使水流方向與底板坡度方向趨于平行，主要消能處在水平階梯段， 水流經(jīng)水平階梯段后能量大大減小，流速降低，平緩地進入下游泄洪洞。
曲線連接洞體底板上的調(diào)整斜坡段坡度和長度根據(jù)上游泄洪洞或有壓隧洞來流的 流速決定，流速越大，其坡度越小，長度越長，以便有效控制該段的空腔長度和水流表 面形態(tài)。斜面階梯段的長度也根據(jù)上游泄洪洞或有壓隧洞來流的流速決定，流速越大， 長度越長；水平階梯段的長度根據(jù)上游泄洪洞或有壓隧洞與下游泄洪洞之間的高程差和 設(shè)計需要的消能率確定，高程差越大，要求的消能越大，水平階梯段的長度越長。
為了更好地實現(xiàn)發(fā)明目的，階梯消能工的有關(guān)幾何參數(shù)如下
斜面階梯段的階梯坡度/尸l :20 5，階梯高度(K/z,〈.0m;水平階梯段的階梯高度 A大于斜面階梯段的階梯高度&，階梯長度/為階梯高度A的1 5倍。
過渡階梯段的階梯高度從斜面階梯段的階梯的高度&過渡至水平階梯段的階梯高 度/ 。
本發(fā)明具有以下有益效果
1、 曲線連接洞體進口處的摻氣裝置可以有效地對進口高速水流進行摻氣，摻氣水 流能夠保護好前幾級階梯，減輕或避免臺階發(fā)生空蝕破壞的可能性，曲線連接洞體底板 上的階梯消能工可以將高速水流的方向有效的過渡到與階梯坡度平行，調(diào)整好曲線連接 洞體的流態(tài)，大大降低曲線連接洞體出口流速，從而達(dá)到消能目的，減小對下游泄洪洞 的沖刷。
2、 下游泄洪洞不需設(shè)置慘氣減蝕設(shè)施，體型設(shè)計和施工更為方便和簡單。
3、 與在泄洪洞出口或者泄洪洞內(nèi)設(shè)置消力池等消能裝置相比，工程量減小，工程 投資降低。
4、 本發(fā)明所述的摻氣型曲線階梯消能工結(jié)構(gòu)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泄洪洞的曲線連接洞體中。


圖1是本發(fā)明所述泄洪洞內(nèi)慘氣型曲線階梯消能工的一種結(jié)構(gòu)示意圖2是圖1的A-A剖視圖3是圖1的I一I剖面放大圖4是圖1的II一II剖面放大圖5是圖i的ni—m剖面放大圖6是圖1的IV — IV剖面放大圖7是本發(fā)明所述泄洪洞內(nèi)摻氣型曲線階梯消能工的又一種結(jié)構(gòu)示意圖8是圖7的A-A剖視圖9是圖7的I一I剖面放大圖
圖1o是圖7的n — n剖面放大圖； 圖ii是圖7的m—ni剖面放大圖。
圖中，l一有壓隧洞或上游泄洪洞、2—壓坡、3—摻氣裝置、4一調(diào)整斜坡段、5— 斜面階梯段、6—過渡階梯段、7—水平階梯段、8—反弧段、9—調(diào)整水平段、IO—下游 泄洪洞、ll一水面線、12—底空腔、13—側(cè)空腔。
A—跌坎高度、/o—調(diào)整斜坡段坡度、L！—調(diào)整斜坡段長度、L2—斜面階梯段長度、 /i一斜面階梯段的階梯坡度、斜面階梯段的階梯高度、L3—過渡階梯段長度、U—水 平階梯段長度、/一水平階梯段的階梯長度、//一水平階梯段的階梯高度、^一水平階梯段 坡度、Ls—反弧段長度、R—反弧半徑、L6—調(diào)整水平段長度、V—曲線連接洞體進口流 速。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明所述泄洪洞內(nèi)摻氣型曲線階梯消能工的結(jié)構(gòu)作進一步說明。 實施例l
本實施例中，泄洪洞內(nèi)摻氣型曲線階梯消能工用于上游有壓隧洞(放空洞)l與下 游泄洪洞IO之間的曲線連接洞體。有壓隧洞(放空洞)1與下游泄洪洞IO相互平行， 它們之間的高程差為28m左右；有壓隧洞(放空洞)l直徑d為3.5m，最大流量Q-190 m3/s,最大單寬流量9=541113/3.111，出口處設(shè)置壓坡2，斷面逐漸由圓形變?yōu)榫匦?見圖 3、圖4)，矩形斷面的寬度B產(chǎn)2.5m、高度H,二2.25m ;曲線連接洞體的斷面如圖5所 示，其寬度Bf3.5m，其邊墻直墻面的高度H2=5.0m，其進口最大流速V =30m/s;下 游泄洪洞的斷面如圖6所示，其寬度Bf7.5m，邊墻直墻面的高度H3二8.0m。
本實施例中的泄洪洞內(nèi)摻氣型曲線階梯消能工，其結(jié)構(gòu)如圖l、圖2所示，由在曲 線連接洞體進口處設(shè)置的摻氣裝置3和在曲線連接洞體底板上設(shè)置的階梯消能工組成。 摻氣裝置3為突擴突跌式結(jié)構(gòu)，其跌坎高度AK).5m。階梯消能工位于曲線連接洞體底 板的調(diào)整斜坡段4后，從高位至低位，依次為斜面階梯段5、過渡階梯段6和水平階梯
段7，水平階梯段7通過反弧段8、調(diào)整水平段9與下游泄洪洞10的底板相接。有關(guān)幾 何參數(shù)如下調(diào)整斜坡段4的長度L產(chǎn)15m，坡度/c=0.10;斜面階梯段5的長度L2=34m， 階梯個數(shù)8個，階梯坡度Z尸1 : 10 6，階梯長度從5m過渡到3m,階梯高度A尸0.5m; 過渡階梯段6的長度L^18m，階梯個數(shù)6個，階梯高度由0.5m過渡到lm，階梯長度 均為3m;水平階梯段7的長度L4=36m，坡度0=1:3，階梯個數(shù)12個，階梯高度為A =lm，階梯長度卜3m;反弧段8的長度L5=12m，反弧半徑R=40m;調(diào)整水平段9的長 度L6=6m。
實驗表明，曲線連接洞體內(nèi)水流流態(tài)平順，沒有不利的水力現(xiàn)象，階梯段水流摻氣 明顯，階梯消能工的的消能率在40% 50%之間，曲線連接洞體的出口流速為25m/s， 大大減小了下游泄洪洞的流速。
實施例2
本實施例中，泄洪洞內(nèi)摻氣型曲線階梯消能工用于上游泄洪洞(明渠)l與下游泄 洪洞IO之間的曲線連接洞體。上游泄洪洞1與下游泄洪洞IO相互平行，它們之間的高 程差為42m左右；上游泄洪洞1的斷面如圖9所示，其寬度B產(chǎn)3.0m，其邊墻直墻面的 高度Hi二5.0m，最大流量0=2101113/3，最大單寬流量q=70 m3/s.m;曲線連接洞體的斷 面如圖10所示，其寬度B^4.0m，其邊墻直墻面的高度H2二8.0m，其進口最大流速F=35 m/s;下游泄洪洞的斷面如圖ll所示，其寬度Bf7.0m，其邊墻直墻面的高度H3 = 7.0。
本實施例中的泄洪洞內(nèi)摻氣型曲線階梯消能工，其結(jié)構(gòu)如圖7、圖8所示，由在曲 線連接洞體進口處設(shè)置的摻氣裝置3和在曲線連接洞體底板上設(shè)置的階梯消能工組成。 摻氣裝置3為突擴突跌式結(jié)構(gòu)，其跌坎高度A-1.0m。階梯消能工位于曲線連接洞體底 板的調(diào)整斜坡段4后，從高位至低位，依次為斜面階梯段5、過渡階梯段6和水平階梯 段7，水平階梯段7通過反弧段8、調(diào)整水平段9與下游泄洪洞10的底板相接。有關(guān)幾 何參數(shù)如下調(diào)整斜坡段4的長度L「40m，坡度/0=0.05;斜面階梯段5的長度L2=42m， 階梯個數(shù)8個，階梯坡度f產(chǎn)l : 13.33 8.33，階梯長度從8m過渡到5m，階梯高度/zH).6m; 過渡階梯段6的長度L3=40m，階梯個數(shù)10個，階梯高度由0.6m過渡到1.2m，階梯長 度均為4.0m;水平階梯段7的長度L4=60m，坡度0=1 : 3.33，階梯個數(shù)15個，階梯 高度為/z-1.2m，階梯長度卜4.0m;反弧段8的長度L5=20m，反弧半徑R=40m;調(diào)整 水平段9的長度L6=15m。
實驗表明，曲線連接洞體內(nèi)水流流態(tài)平順，沒有不利的水力現(xiàn)象，階梯段水流慘氣 明顯，階梯消能工的的消能率在60%左右，曲線連接洞體的出口流速為25m/s，大大減 小了下游泄洪洞的流速。
權(quán)利要求
1、一種泄洪洞內(nèi)摻氣型曲線階梯消能工，包括在兩高度不同的平行泄洪洞或有壓隧洞(1)與下游泄洪洞(10)之間的曲線連接洞體進口處設(shè)置的摻氣裝置(3)，其特征在于還包括在曲線連接洞體底板上設(shè)置的階梯消能工，所述階梯消能工位于曲線連接洞體底板的調(diào)整斜坡段(4)后，從高位至低位，階梯消能工依次為斜面階梯段(5)、過渡階梯段(6)和水平階梯段(7)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的泄洪洞內(nèi)摻氣型曲線階梯消能工，其特征在于斜面階梯 段(5)的階梯坡度/產(chǎn)l :20 5，階梯高度(X/^1.0m;水平階梯段(7)的階梯高度A 大于斜面階梯段的階梯高度階梯長度/為階梯高度/z的1 5倍。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的泄洪洞內(nèi)摻氣型曲線階梯消能工，其特征在于過渡階梯 段(6)的階梯高度從斜面階梯段(5)的階梯的高度/z,過渡至水平階梯段(7)的階梯 高度/ 。
全文摘要
一種泄洪洞內(nèi)摻氣型曲線階梯消能工，包括在兩高度不同的平行泄洪洞或有壓隧洞與下游泄洪洞之間的曲線連接洞體進口處設(shè)置的摻氣裝置、在曲線連接洞體底板上設(shè)置的階梯消能工，所述階梯消能工位于曲線連接洞體底板的調(diào)整斜坡段后，從高位至低位，依次為斜面階梯段、過渡階梯段和水平階梯段。摻氣裝置可以有效地對進口高速水流進行摻氣，減輕或避免階梯臺階發(fā)生空蝕破壞的可能性，階梯消能工可以將高速水流的方向過渡到與階梯坡度平行，調(diào)整好曲線連接洞體的流態(tài)，降低曲線連接洞體出口流速，減小對下游泄洪洞的沖刷。
文檔編號E02B8/00GK101349047SQ200810045978
公開日2009年1月21日 申請日期2008年9月4日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月4日
發(fā)明者劉善均, 張建民, 張法星, 曲景學(xué), 李貴吉, 韋 王, 王曾恩, 忠 田, 許唯臨, 軍 鄧, 陳劍剛 申請人:四川大學(xué)