本發明涉及水利水電工程泄洪消能設施中的階梯溢洪道，主要用于在大單寬流量的條件下，減免階梯溢洪道的空蝕破壞風險，滿足工程安全運行的需要。

背景技術：

隨著水利水電工程建設的快速發展，以窄河谷、高水頭、大泄量等為特征的水利水電工程泄水建筑物所帶來的高速水流問題接踵而至，隨之產生的空化空蝕問題也逐漸引起人們的關注。

階梯消能工是水流沿壩面或溢洪道表面的階梯逐級摻氣、減速、摻混、紊動消能的。這種消能工比一般光滑表面的消能率有顯著提高。然而工程實踐表明，隨著來流單寬流量的增大，一方面，階梯溢洪道表面尤其是豎直面負壓較大，容易產生空化。另一方面，由于水深的增加，摻氣起始斷面下移，致使流動摻氣不足，溢洪道的階梯面極易發生空蝕破壞，并且消能率降低。

因此，大單寬流量下階梯溢洪道的空蝕破壞問題一直是工程中亟待解決的難題和制約性問題。

技術實現要素：

本發明提出一種水躍摻氣階梯溢洪道，在傳統階梯溢洪道的基礎上，增設水躍摻氣池，利用水躍摻氣池中的水躍旋滾，為下游階梯溢洪道提供摻氣水流。

本發明采用如下技術方案：

一種水躍摻氣階梯溢洪道，包括wes溢流堰和階梯溢洪道，在wes溢流堰與階梯溢洪道之間設有水躍摻氣池，所述水躍摻氣池上接wes溢流堰、下接階梯溢洪道。

與現有技術相比，本發明具有以下優點：

本發明通過改變水躍摻氣池長度及尾坎高度有效地控制水躍摻氣池尾坎出流摻氣濃度，大單寬流量下仍能保持階梯溢洪道充分摻氣，因此可有效地減免階梯溢洪道的空蝕破壞。wes溢流堰位于最前面，為水躍摻氣池提供具有一定動能的下泄水流。水流自wes溢流堰進入水躍摻氣池，發生水躍，其上部的旋滾內水流作劇烈的回旋運動，翻騰滾動摻入大量氣泡，進一步強化了摻氣效果，并隨主流進入階梯溢洪道，水躍摻氣池中的水躍旋滾為階梯溢洪道的流動摻氣，可以且尤其可以在大單寬流量條件下有效減免傳統階梯溢洪道摻氣不足引發的空蝕破壞。

水躍摻氣池的結構參數包括水躍摻氣池的長度lp和水躍摻氣池的尾坎高度sp。在大單寬流量的條件下，通過控制水躍摻氣池的長度及尾坎高度來控制水躍流態及水躍摻氣池的尾坎出流摻氣效果，實現在保持水躍流態穩定的同時，尾坎出流有較好的摻氣效果。根據工程實際經驗，當水流摻氣濃度達到1％以上，就可以有效減小或避免過流面的空蝕破壞。在水躍摻氣池的作用下，階梯溢洪道首級階梯即可獲得較好的摻氣，這對保證階梯溢洪道減小或減免空蝕破壞是至關重要的。

1、結構布置簡單。

2、整體流態穩定，水躍摻氣池體型易優化，施工可操作性強，可廣泛用于各種水利工程。

3、在大單寬流量條件下(q＞60m²/s)階梯溢洪道在首級階梯即能獲得較好的摻氣，提高了階梯溢洪道對單寬流量的適用范圍。

本發明對于有效減小或避免階梯面的空蝕破壞是非常有意義的，力求達到通過水躍旋滾摻氣為階梯溢洪道提供流動摻氣的目的。本項發明結構簡單易行，有效性已得到試驗驗證。

本發明的目的、優點和特點，將通過下面優先實施例的非限制性說明進行圖示和解釋，這些實施例是參照附圖僅作為例子給出的。

附圖說明

圖1是本發明水躍摻氣階梯溢洪道整體結構及示意圖；

圖2是水躍摻氣池流動示意圖；

圖3是本發明所述水躍摻氣階梯溢洪道中水躍摻氣池第一種結構示意圖。

圖4是圖3在單寬流量分別為60.00m²/s、90.00m²/s、110.00m²/s、120.20m²/s、134.70m²/s時的流態。

圖5是圖3在單寬流量分別為60.00m²/s、90.00m²/s、110.00m²/s、120.20m²/s、134.70m²/s時的尾坎出流斷面摻氣濃度分布。

圖6是本發明所述水躍摻氣階梯溢洪道中水躍摻氣池第二種結構示意圖。

圖7是圖6在單寬流量分別為60.00m²/s、90.00m²/s、110.00m²/s、120.20m²/s、134.70m²/s時的流態。

圖8是圖6在單寬流量分別為60.00m²/s、90.00m²/s、110.00m²/s、120.20m²/s、134.70m²/s時的尾坎出流斷面摻氣濃度分布。

具體實施方式

本發明所述的水躍摻氣階梯溢洪道，即在傳統階梯溢洪道的基礎上，通過增設水躍摻氣池，為下游階梯溢洪道的水流提供充分的摻氣，因此，可以有效地減免在大單寬流量下，階梯溢洪道的空蝕破壞。本發明采用以下具體實施方式：本發明即一種水躍摻氣階梯溢洪道，包括wes溢流堰1和階梯溢洪道3，在wes溢流堰1與階梯溢洪道3之間設有水躍摻氣池2，所述水躍摻氣池2上接wes溢流堰1、下接階梯溢洪道3。在本實施例中，所述水躍摻氣池長度lp為70.0cm，水躍摻氣池尾坎高度sp為6.5cm～8.0cm。

下面通過實施例對本發明所述水躍摻氣階梯溢洪道作進一步說明。實施例中通過觀察水躍摻氣池的流態和獲得水躍摻氣池尾坎出流斷面摻氣濃度分布，來驗證本發明的有效性。各實施例中，模型比尺設計為1∶70，試驗模型最大單寬流量qm為115.00×10^-3m²/s，換算到原型最大單寬流量qp為134.70m²/s，wes溢流堰頂距水躍摻氣池底高差為36.0cm。此外，盡可能減薄水躍摻氣池尾坎的厚度，不考慮尾坎厚度對出流摻氣效果的影響。

實施例1

本實施例中，水躍摻氣池長度lp為70.0cm，水躍摻氣池尾坎高度sp為6.5cm，如圖3所示。

試驗觀察了當原型單寬流量分別為60.00m²/s，90.00m²/s，110.00m²/s，120.20m²/s，134.70m²/s時的水躍摻氣池流態，如圖4所示。

從圖中可以看出，該實施例中水躍摻氣池的流態隨著原型單寬流量的增大，從淹沒水躍過渡到遠驅水躍。當原型單寬流量qp≤110m²/s時，水躍摻氣池流態保持為淹沒水躍，水躍發生點位置穩定在堰址附近，水躍摻氣池內流態穩定。

試驗得到了當原型單寬流量分別為60.00m²/s，90.00m²/s，110.00m²/s，120.20m²/s，134.70m²/s時，測得的水躍摻氣池尾坎出流斷面摻氣濃度分布，如圖5所示。

從圖中可以看出，該實施例中尾坎出流斷面摻氣濃度沿水深逐漸增大，隨著單寬流量的增加，水躍主流區擴大，尾坎出流斷面摻氣效果不斷減弱，但當原型單寬流量qp≤110m²/s時，尾坎出流斷面沿水深仍能較快達到1％，出流摻氣效果明顯。

實施例2

本實施例中，水躍摻氣池結構如圖6所示，與實施例1唯一不同之處是水躍摻氣池的尾坎高度sp＝8.0cm。

試驗觀察了當原型單寬流量分別為60.00m²/s，90.00m²/s，110.00m²/s，120.20m²/s，134.70m²/s時的水躍摻氣池流態，如圖7所示。

從圖中可以看出，該實施例中水躍摻氣池的流態隨著原型單寬流量的增大，水躍摻氣池的流態在所研究的來流條件下均保持為淹沒水躍，水躍發生點位置穩定在堰址附近，水躍摻氣池內流態穩定。

試驗得到了當原型單寬流量分別為60.00m²/s，90.00m²/s，110.00m²/s，120.20m²/s，134.70m²/s時，測得的水躍摻氣池尾坎出流斷面摻氣濃度分布，如圖8所示。與實施例1相比，在提高水躍摻氣池尾坎高度的情況下，各原型單寬流量下尾坎出流摻氣濃度均有提高，且沿水深方向的增長速度更快，即使當原型單寬流量為134.70m²/s，尾坎出流斷面沿水深的摻氣濃度也能夠較快達到1％，出流摻氣效果明顯。

綜上所述，各實施例已經表明，本發明提出的水躍摻氣階梯溢洪道通過水躍摻氣池中的水躍旋滾為下游階梯溢洪道的流動摻氣，可有效減免在大單寬流量條件下傳統階梯溢洪道的空蝕破壞，結構安全得到保證。