[發明專利]異形階梯消能工

有效

• 申請號: 201210164218.1
• 申請日: 2012-05-24
• 公開（公告）號: CN102720170A
• 公開（公告）日: 2012-10-10
• 發明（設計）人: 張建民;許唯臨;劉善均;王韋;鄧軍;曲景學;田忠;張法星;周茂林;聶境;余飛;崔瑞
• 申請（專利權）人: 四川大學
• 主分類號: E02B8/06
• 分類號: E02B8/06
• 代理公司: 成都科海專利事務有限責任公司 51202
• 代理人: 黃幼陵;肖睿澤

技術領域

本發明屬于內流泄洪消能設施，特別涉及一種用于溢洪道（洞）或壩面溢流的階梯消能工。

背景技術

田忠等在四川大學學報（工程科學版）公開了一種“V”形臺階溢洪道（見第42卷第2期，P21-25，2010年3月），由均勻連續“V”形階梯構成。經數值模擬以及物理模型驗證，其水流結構以及消能效果較傳統均勻連續“一”形階梯確實發生較大變化，如：傳統均勻連續“一”形階梯漩渦結構呈現2元平面特征，而均勻連續“V”形階梯漩渦結構呈現3元流特征，同等體型條件下，均勻連續“V”形階梯的消能率高于傳統均勻連續“一”形階梯。均勻連續“V”形階梯雖然能提高消能率，改善水流結構，但卻存在以下不足：1、由于階梯邊界由原來的直線“一”形變為帶有尖銳凸角的折線“V”形，因此在前幾級階梯上極易產生“水翅”現象，所謂“水翅”現象是指水流下泄形成的水舌由于速度較大，水流邊壁形狀突然改變，在第1級階梯面上水舌沖擊力大于水舌重力，受到階梯面的反作用力，射流方向改變，水舌被拋射并越過數級階梯的現象。2、“水翅”現象的發生會使水流翻越溢洪道邊墻沖刷岸坡或相鄰建筑物基礎，從而影響建筑物的安全運行。3、若不設法減弱或消除“水翅”現象，勢必增加溢洪道邊墻設計高度，提高工程造價。4、由于水舌被拋射并越過數級階梯，部分階梯被空置，減少了有效消能階梯數目，降低消能率。5、當水舌躍離數級階梯經拋射直接作用于某級階梯，會增加該級階梯負荷，影響該級階梯穩定性。總之，伴隨“水翅”現象的潛在問題使得均勻連續“V”形階梯在實際工程中的實用性大大降低。

發明內容

本發明的目的是提供一種異形階梯消能工，以減弱“水翅”現象，增加有效消能階梯的數量，提高消能率。

本發明所述異形階梯消能工，包括緊接進水口的順直段、與順直段相接的異形階梯段，所述異形階梯段的各級階梯為“W”形或“ω”形，異形階梯段的底坡坡度與順直段的底坡坡度相同，順直段的長度∶異形階梯段的長度=1∶1~10。所述“ω”形階梯是將“W”形階梯的豎直邊界面圓弧化的產物，因而兩種形狀屬于一個總的發明構思，圓滑的“ω”型階梯邊界相比“W”型階梯在實際工程中的使用壽命增長。

本發明所述異形階梯消能工，可在順直段增設前置摻氣坎，以提高抗空蝕破壞的能力。

上述異形階梯消能工，其異形階梯段的各級階梯長度和高度相同，各級階梯的長度均為0.4~18m，各級階梯的高度均為0.5~3m。當異形階梯段的各級階梯為“W”形時，其兩凸角的角度相等且對稱于過流面的中軸線，兩凸角的角度α=30~150°。當異形階梯段的各級階梯為“ω”形時，其兩凸弧面的半徑相等且對稱于過流面的中軸線，兩凸弧面的半徑R?=0.4~18m。

試驗表明，上述異形階梯消能工的異形階梯段和順直段的底坡坡度θ=8~65°。

本發明具有以下有益效果：

1、與“V”形臺階（階梯）相比，本發明所述“W”形或“ω”形階梯消能工優化了水流流態，將“V”形臺階（階梯）產生的大水翅變為了小水翅（見圖9、圖10），因而未被利用的階梯段明顯縮短，增加了有效消能階梯的個數，提高了消能率。

2、由于水流流態的水翅現象被弱化，因而有利于建筑物的安全運行和施工成本的降低。

3、由于“W”或“ω”形異型階梯上耗散渦為3D螺旋狀（見圖11、圖12），且邊界經幾何分形后，耗散渦個數以y=2n的速度增長（其中y為單級階梯上耗散渦的個數，n為邊界分形次數：“W”和“ω”形經2次分形，故n=2），為消能率提高提供重要保證，試驗研究表明，相對于“V”形臺階或階梯（“V”形經1次分形，故n=1），消能率至少提高5%~20%。

4、由于對邊界進行了幾何分形，邊界由直變曲的直接結果拓展了單級階梯消能空間并增加了階梯橫軸方向的糙率。

5、由于水流流態發生改變，因此階梯上壓強分布呈負壓減小趨勢，負壓區面積的減小使得水流空化數相對于“V”形臺階（階梯）提高1.5~2.0倍，可減小或避免形成空蝕破壞。

6、由于在順直段增設了前置摻氣坎，進一步提高了防空蝕破壞性能。

7、結構形式簡單，施工可操作性強，具有廣闊的應用前景。

附圖說明

圖1是本發明所述異形階梯消能工的第一種結構示意圖，異形階梯段的各級階梯為“W”形；

圖2是圖1的俯視圖；

圖3是本發明所述異形階梯消能工的第二種結構示意圖，異形階梯段的各級階梯為“W”形，順直段上設置有前置摻氣坎；

圖4是圖3的俯視圖；