本發明屬于一種水利水電工程中的消能設施領域，特別涉及用在低佛氏數、大單寬流量溢洪道或泄洪洞的一種異型臺階消能工。

背景技術：

在過去幾十年里臺階式溢洪道已經成為一種很流行的安全泄洪方式。由于臺階的累計消能作用，提高了消能率，避免了集中式消能工的弊端，使消能建筑物運行更安全。相關研究資料表明：在相同坡度﹑不同單寬流量情況下，臺階式溢流壩的消能率一般占到總能量的48％～71％，而光滑溢流壩在相同條件下泄槽段的消能率只占到總能量的20％～25％；在渲泄相同流量的情況下，臺階式溢流壩的消能率比光滑溢流壩的消能率高2.4～2.9倍。由于臺階式溢洪道的消能率較高，大大降低了溢洪道末端的消能要求，甚至可以不設消能設施。另外由于RCC技術的應用，使得臺階溢洪道易于施工，工期短，投資省，在國內外許多工程上都有應用。80年代以來，在世界各國的水利工程中，臺階式溢洪道、溢流壩、泄槽的應用得到了迅速的發展，不僅為水利工程所采用，而且已應用到環境、漁業、城市景觀設計等領域。臺階式溢洪道雖然有諸多優點，但其消能率隨單寬流量的增大而降低，在大單寬流量下，臺階面空化空蝕問題十分突出。傳統的矩形臺階溢洪道已無法滿足工程實際運行要求，這就必須對傳統的臺階體型的布置進行改進或設計新的臺階體型。

技術實現要素：

本發明的目的在于克服現有技術的缺陷，提供一種異型臺階消能工，使其適用于大單寬流量溢洪道或泄洪洞的階梯消能，有效提高消能率，降低空化空蝕的風險。

本發明所述的一種異型臺階消能工，包括由不同形狀的若干臺階疊加形成的階梯狀臺階，而不同形狀的每個臺階的垂直面為多面或曲面。

上述所述異型臺階消能工，所述由不同形狀的若干臺階疊加形成的階梯狀臺階，即由若干梯形臺階疊加形成的梯形階梯狀臺階；或由若干三角形臺階疊加形成的三角形階梯狀臺階；或由若干燕尾形臺階疊加形成的燕尾形階梯狀臺階；或由若干舌形臺階疊加形成的舌形階梯狀臺階。

上述所述異型臺階消能工，所述各形狀的臺階頭部寬度均為b₁，臺階尾部寬度為b₂，臺階距離溢洪道或泄洪洞內邊墻的距離為b₃，溢洪道或泄洪洞的寬度為B，各臺階長度為L，則B＝b₁+b₂+2b₃，b₁/B＝0～0.5，b₂/B＝0.2～1，b₃/B＝0～0.4，臺階長度與溢洪道或泄洪洞寬度比值L/B在0.3～0.7之間。

上述所述異型臺階消能工，所述臺階頭部寬度b₁不為0時，此時臺階為梯形階梯狀，即梯形臺階。

上述所述異型臺階消能工，所述各臺階頭部寬度b₁為0時，此時臺階為三角形階梯狀，即三角形臺階。

上述所述異型臺階消能工，所述梯形臺階或三角形臺階尾部寬度b₂為溢洪道或泄洪洞的寬度B時，且頭部和尾部位置顛倒，則靠近溢洪道或泄洪洞內邊墻的部分變成臺階實體，中間部分變成凹槽，此時臺階為燕尾形階梯狀，即燕尾形臺階。

上述所述異型臺階消能工，所述臺階頭部形狀為半圓形、或拋物線形、或橢圓形曲線時，此時臺階為舌形階梯狀，即舌形臺階。

上述所述異型臺階消能工，所述各形狀臺階的單層臺階的高度h＝4～6m。

上述所述異型臺階消能工，所述各形狀臺階級數為20～30級。

上述所述異型臺階消能工，異型臺階斜墻角度為β＝300°～900°，其中優選β＝45°～58°。

上述所述溢洪道或泄洪道底板的坡度為θ＝100°～450°。

本發明所述的異型臺階消能工由鋼筋混凝土制作而成。

本發明所述的異型臺階消能工優選以下幾種形式：

1、梯形臺階消能工

當異型臺階頭部寬度b₁不為0時，異型臺階為梯形臺階，所組成的消能工為梯形臺階階梯消能工。梯形臺階的頭部寬度為b₁，臺階尾部寬度為b₂，臺階尾部距離溢洪道或泄洪洞內邊墻的距離為b₃，溢洪道或泄洪洞的寬度為B，B＝b₁+b₂+2b₃，其中b₁/B＝0.2～0.5，b₂/B＝0.2～1，b₃/B＝0～0.4；臺階長度為L，L/B＝0.3～0.7；臺階高度為h；異型臺階斜墻角度為β，β＝37°～90°；溢洪道或泄洪洞的底板的坡度為θ，tanθ＝h/L，θ＝10°～45°。

2、三角形臺階消能工

當異型臺階頭部寬度b₁為0時，異型臺階為三角形臺階，所組成的消能工為三角形臺階階梯消能工。三角形臺階尾部寬度為b₂，臺階尾部距離溢洪道或泄洪洞內邊墻的距離為b3，溢洪道或泄洪洞的寬度為B，B＝b₂+2b₃，其中b₂/B＝0.4～1，b₃/B＝0～0.3；臺階長度為L，L/B＝0.3～0.7；臺階高度為h；三角形臺階斜墻角度為β，β＝31°～74°；溢洪道或泄洪洞的底板的坡度為θ，tanθ＝h/L，θ＝10°～45°。

3、燕尾形臺階消能工

當梯形臺階或三角形臺階尾部寬度為B時，且頭尾顛倒，靠近溢洪道或泄洪洞內邊墻的部分變成臺階實體，中間部分變成凹槽，此時異型臺階為燕尾形臺階，所組成的消能工為燕尾形臺階階梯消能工。燕尾形臺階尾部寬度為b₂，燕尾中間寬度為b₄，溢洪道或泄洪洞的寬度為B，B＝b₂+b₄，b₄/B＝0～0.4，b₂/B＝0.6～1；臺階長度為L，L/B＝0.3～0.7；臺階高度為h；燕尾形臺階斜墻角度為β，β＝31°～67°；溢洪道或泄洪洞的底板的坡度為θ＝10°～45°。

4、舌形臺階消能工

當異型臺階頭部為半圓形曲線、或拋物線性曲線、或橢圓形曲線等時、所組成的消能工為舌形臺階階梯消能工。舌形臺階尾部寬度為b₂，臺階尾部距離溢洪道或泄洪洞內邊墻的距離為b₃，溢洪道或泄洪洞的寬度為B，B＝b₂+2b₃，其中b₂/B＝0.35～1，b₃/B＝0～0.3；臺階長度為L，L/B＝0.3～0.7；臺階高度為h；溢洪道或泄洪洞的底板的坡度為θ＝10°～45°。臺階高度范圍定為2m-6m。這些參數均通過長期的工程實踐和相關理論研究成果，并加以相應模型試驗的結果得來，比如溢洪道的坡會影響消能率，坡度越緩，消能率越大，這是經過理論和實踐證明了的，另外這些參數可以適應不同水頭的工程，比如高水頭可以選擇較緩的坡度，較長的臺階長度，較小的臺階尾部寬度，對于低水頭則相反。

本發明具有以下有益的技術效果：

1、本發明所述異型臺階消能工與傳統矩形臺階消能工相比，傳統矩形臺階消能工產生的水流為二元流；本發明異型臺階消能工產生的水流為三元流，異型臺階上的漩渦有各種尺度，為三維漩渦；且在同一臺階不同位置的漩渦強度不同，越靠近臺階中軸線漩渦強度越小，漩渦在旋轉的同時向臺階中軸線運動，兩側的水流在中軸線交匯碰撞形成螺線型漩渦，紊動強烈，因此消能效果要優于同條件下的矩形臺階溢洪道或泄洪洞，在低佛氏數、大單寬流量溢洪道或泄洪洞泄洪消能中可以作為主要的消能工。

2、水流在通過異型臺階時發生水流的跌落、左右擴散、起到剪切作用，水面上的空氣被卷吸進入水體，水流摻氣強烈，有效地避免了空化空蝕。

3、本發明所述的異型臺階消能工，結構簡單，體型優化容易，檢修方便。

附圖說明

圖1是本發明所述異型臺階消能工臺階形狀為梯形的結構示意圖；

圖2是本發明所述單個梯形臺階的俯視圖；

圖3是本發明所述單個梯形臺階的左視圖；

圖4是本發明所述單個梯形臺階的正視圖；

圖5是本發明所述異型臺階消能工臺階形狀為三角形的結構示意圖；

圖6是本發明所述單個三角形臺階的俯視圖；

圖7是本發明所述單個三角形臺階的左視圖；

圖8是本發明所述單個三角形臺階的正視圖；

圖9是本發明所述異型臺階消能工臺階形狀為燕尾形的結構示意圖；

圖10是本發明所述單個燕尾形臺階的俯視圖；

圖11是本發明所述單個燕尾形臺階的左視圖；

圖12是本發明所述單個燕尾形臺階的正視圖；

圖13是本發明所述異型臺階消能工臺階形狀為舌形的結構示意圖；

圖14是本發明所述單個舌形臺階的俯視圖；

圖15是本發明所述單個舌形臺階的左視圖；

圖16是本發明所述單個舌形臺階的正視圖；

圖17是本發明所述異型臺階消能工臺階形狀為梯形時，用于溢洪道或泄洪洞的俯視圖；

圖18是本發明所述異型臺階消能工臺階形狀為三角形時，用于溢洪道或泄洪洞的俯視圖；

圖19是本發明所述異型臺階消能工臺階形狀為燕尾形時，用于溢洪道或泄洪洞的俯視圖；

圖20是本發明所述異型臺階消能工臺階形狀為舌形時，用于溢洪道或泄洪洞的俯視圖；

圖中，1—溢洪道或泄洪洞邊墻、2—梯形臺階、3—三角形臺階、4—燕尾形臺階、5—舌形臺階。

具體實施方式

實施例1

實例中底板坡度和斜墻角度與權利要求中限定的數值是怎樣的關系？均在權利要求限定的范圍內。

本實施例中梯形臺階消能工用于溢洪道，如圖1、2、3、4和17所示，溢洪道的最大單寬流量為q＝240m³/s.m，溢洪道寬度B＝30m，底板坡度θ＝18°。設置在溢洪道底板上的梯形臺階2尾部寬度寬B＝30m，頭部寬b₁＝10m，尾部寬b₂＝30m，梯形臺階2尾部距離溢洪道或泄洪洞內邊墻1的距離為b₃＝0m；臺階2長度L＝12m，梯形臺階2斜墻角度β＝50°；梯形臺階2高度h＝4m，共設置30級臺階，落差120m。

模型試驗表明，本實施例中的梯形臺階溢洪道臺階開始斷面處的流速為25m/s，臺階結束斷面處的流速為25m/s，消能率約為79％；溢洪道內的水流從第四級臺階開始強烈摻氣，第四級臺階以后的水流中充滿氣泡，呈現“白水”狀態，水面平穩，有效避免空化空蝕的破壞。

實施例2

本實施例中三角形臺階消能工用于溢洪道，如圖5、6、7、8和18所示，溢洪道的最大單寬流量為q＝160m³/s.m，溢洪道寬度B＝25m，底板坡度θ＝27°。設置在溢洪道底板上的三角形臺階3尾部寬度b₂＝15m，三角形臺階3尾部距離溢洪道或泄洪洞內邊墻1的距離為b₃＝5m；臺階3長度L＝12m，三角形臺階3斜墻角度β＝58°；臺階2高度h＝6m，共設置20級臺階，落差120m。

模型試驗表明，本實施例中的三角形臺階溢洪道臺階開始斷面處的流速為25m/s，臺階結束斷面處的流速為27m/s，消能率約為75.5％，溢洪道內的水流從第三級臺階開始強烈摻氣，第三級臺階以后的水流中充滿氣泡，呈現“白水”狀態，能保護階梯表面避免發生空化空蝕的破壞，水面相對平穩，水流摻氣比較強烈。

實施例3

本實施例中燕尾形臺階消能工用于溢洪道，如圖9、10、11、12和19所示，溢洪道的最大單寬流量為q＝200m³/s.m，溢洪道寬度B＝25m，底板坡度θ＝22°。設置在溢洪道底板上的燕尾形臺階4尾部寬度b₂＝20m，燕尾中間寬度為b₄＝5m；燕尾形臺階4長度L＝10m，燕尾形臺階4斜墻角度β＝45°；燕尾形臺階4高度h＝4m，共設置25級臺階，落差100m。

模型試驗表明，本實施例中的燕尾形臺階溢洪道臺階開始斷面處的流速為20m/s，臺階結束斷面處的流速為25m/s，消能率約為73.5％，溢洪道內的水流從第二級臺階開始強烈摻氣，第二級臺階以后的水流中充滿氣泡，呈現“白水”狀態，有效避免空化空蝕的破壞，水流摻氣十分強烈。

實施案例4

本實施例中舌形臺階消能工用于溢洪道，如圖13、14、15、16和20所示，溢洪道的最大單寬流量為q＝150m³/s.m，溢洪道寬度B＝25m，底板坡度θ＝27°。設置在溢洪道底板上的舌形臺階5尾部寬度b₂＝20m，舌形臺階5尾部距離溢洪道或泄洪洞內邊墻1 的距離為b₃＝2.5m；舌形臺階5長度L＝10m，舌形臺階5高度h＝5m，共設置25級臺階，落差125m。

模型試驗表明，本實施例中的舌形臺階溢洪道臺階開始斷面處的流速為20m/s，臺階結束斷面處的流速為26m/s，消能率約為76.3％，溢洪道內的水流從第五級臺階開始強烈摻氣，第五級臺階以后的水流中充滿氣泡，呈現“白水”狀態，有效避免空化空蝕的破壞，水流摻氣十分強烈。

有必要在此指出的是，上述實施例只用于對本發明作進一步說明，不能理解為對本發明保護范圍的限制，所屬技術領域的技術人員根據上述內容對本發明做出一些非本質的改進和調整進行具體實施，仍屬于本發明的保護范圍。