[發(fā)明專利]泄水建筑物水流越級(jí)流動(dòng)的防治方法及階梯消能工

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201610123466.X
• 申請(qǐng)日: 2016-03-03
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN105756022B
• 公開(kāi)（公告）日: 2017-11-03
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 錢尚拓;吳建華;黃秋君;吳偉偉;馬飛;李同春
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 河海大學(xué);南京河海科技有限公司
• 主分類號(hào): E02B8/06
• 分類號(hào): E02B8/06
• 代理公司: 南京蘇高專利商標(biāo)事務(wù)所(普通合伙)32204
• 代理人: 柏尚春

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及水利水電工程中的一種泄水建筑物水流越級(jí)流動(dòng)的防治方法及階梯消能工，主要用于平順并穩(wěn)定階梯流態(tài)，避免“越級(jí)流動(dòng)”現(xiàn)象的發(fā)生，同時(shí)提高消能效果，滿足工程安全等需要。

背景技術(shù)

隨著水利水電工程建設(shè)的不斷發(fā)展，泄水建筑物高速水流問(wèn)題日益突出。其中，消能防沖和空化空蝕問(wèn)題尤為引人關(guān)注，一直是工程設(shè)計(jì)中亟待解決的難題和制約性問(wèn)題。相對(duì)于傳統(tǒng)泄洪消能方式，如挑流、底流、面(戽)流等，階梯消能工具有自身特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。其中，水平階梯消能工由若干級(jí)長(zhǎng)度和高度固定的水平階梯組成。水流逐級(jí)下行，受到階梯作用從而形成強(qiáng)烈的橫軸旋滾和摻氣，使能量沿流程空間消散，對(duì)改善壩下沖刷，簡(jiǎn)化消能防沖設(shè)施，提高消能效率，避免空蝕及霧化發(fā)生等具有顯著成效。

以水平階梯消能工為基礎(chǔ)，尾坎階梯消能工通過(guò)在每級(jí)階梯上設(shè)置結(jié)構(gòu)及尺寸恒定的尾坎，為摻氣旋滾的劇烈發(fā)展提供更大的空間，且減小波狀水流半徑以增加水流紊動(dòng)，從而具有更高的消能效果。越大的尾坎高度對(duì)應(yīng)越大的旋滾尺寸和能量以及越強(qiáng)的水流紊動(dòng)，帶來(lái)越高的消能率。然而，尾坎高度是受限制的，過(guò)高會(huì)造成與斷面水流弗汝德數(shù)的不匹配，從而導(dǎo)致“越級(jí)流動(dòng)”現(xiàn)象的發(fā)生。“越級(jí)流動(dòng)”指階梯水流違背逐級(jí)下行的規(guī)律，越過(guò)若干級(jí)階梯直接沖擊下游階梯面同時(shí)形成空腔的現(xiàn)象。該現(xiàn)象通常發(fā)生于尾坎階梯消能工的進(jìn)口段，其對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)體型及流態(tài)參數(shù)見(jiàn)圖1，其中，a和b分別為階梯長(zhǎng)度和高度、m為尾坎高度、L_s為越級(jí)水流長(zhǎng)度、H_s為越級(jí)水流高度。首先，“越級(jí)流動(dòng)”會(huì)造成階梯面的壓力異常，包括越級(jí)水流下方空腔內(nèi)的負(fù)壓以及其沖擊區(qū)域的荷載增大現(xiàn)象；其次，會(huì)導(dǎo)致水舌翻越邊墻和相關(guān)的一系列安全問(wèn)題，因此需要在工程中設(shè)置更高的邊墻；最后，降低有效消能的階梯數(shù)量，對(duì)消能效果產(chǎn)生負(fù)面影響。這都將影響階梯消能工結(jié)構(gòu)的高效，安全和穩(wěn)定。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提出一種泄水建筑物水流越級(jí)流動(dòng)的防治方法及階梯消能工，本發(fā)明一方面借助平順入流段的引流楔塊穩(wěn)定、平順階梯流態(tài)，尤其避免“越級(jí)流動(dòng)”現(xiàn)象的發(fā)生以及由此帶來(lái)的危害(包括壓力異常和翻越邊墻)，另一方面通過(guò)消能段階梯上的高尾坎得到高效的消能效果。

本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

本發(fā)明所述一種泄水建筑物水流越級(jí)流動(dòng)的防治方法，將水流引至階梯消能工，并使水流首先經(jīng)過(guò)設(shè)置在階梯消能工臺(tái)階上的高度逐級(jí)升高的引流楔塊，并保持與沿程增大的水流弗汝德數(shù)相匹配，引導(dǎo)來(lái)流形成連續(xù)的平緩波狀水流，使波狀水流半徑以順滑的方式逐漸減小并最終與下游消能段水流銜接，保證水流平順且逐級(jí)下行。

本發(fā)明所述一種泄水建筑物水流越級(jí)流動(dòng)的防治方法用階梯消能工，包括平順入流段及消能段，所述平順入流段包括一段階梯，在所述一段階梯的各級(jí)臺(tái)階上設(shè)有引流楔塊，所述消能段包括與所述一段階梯連接的另一段階梯，在所述另一段階梯的各級(jí)臺(tái)階上設(shè)有尾坎。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：

階梯消能工的尾坎高度越大，對(duì)應(yīng)越大的旋滾尺寸和能量，就能帶來(lái)越高的消能率，但是，尾坎過(guò)高會(huì)造成與斷面水流弗汝德數(shù)的不匹配，從而導(dǎo)致“越級(jí)流動(dòng)”現(xiàn)象的發(fā)生。“越級(jí)流動(dòng)”指階梯水流違背逐級(jí)下行的規(guī)律，越過(guò)若干級(jí)階梯直接沖擊下游階梯面同時(shí)形成空腔的現(xiàn)象，因此，尾坎最高高度是受限制的，這就造成消能效果不理想。高度逐級(jí)增大的引流楔塊首先打破了對(duì)尾坎最高高度的限制，使階梯消能工的尾坎高度得以大幅度提高，同時(shí)，保持與沿程增大的水流弗汝德數(shù)相匹配，再結(jié)合楔形結(jié)構(gòu)的引流作用，從而引導(dǎo)水流平順流經(jīng)、逐級(jí)下行，順利進(jìn)入消能段并避免“越級(jí)流動(dòng)”現(xiàn)象的發(fā)生，避免了水面涌起等流態(tài)突變和惡化，波狀水流半徑以順滑的方式逐漸減小并最終與下游消能段水流銜接。

隨著尾坎最高高度限制的消除，各級(jí)階梯上尾坎的高度可以大幅度增加，從而形成具有大尺寸和能量的摻氣旋滾的階梯流動(dòng)，顯著提高消能率。特別要注意，平順入流段的階梯數(shù)須顯著小于消能段，使消能段具有足夠的階梯以得到顯著的消能效果，另外引流裝置的高度須小于或等于高坎的高度，確保水流平順進(jìn)入消能段。

階梯消能工的流態(tài)穩(wěn)定、消能效果提高以及結(jié)構(gòu)和工程運(yùn)行安全等問(wèn)題是十分重要的。本發(fā)明的有效性已得到試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易行，可以在獲得高消能率的同時(shí)，減免“越級(jí)流動(dòng)”現(xiàn)象的發(fā)生及其相關(guān)危害，最終保證消能工整體結(jié)構(gòu)和運(yùn)行的安全和穩(wěn)定。

此外，本發(fā)明還具有以下優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)布置及施工簡(jiǎn)單；有效減免“越級(jí)流動(dòng)”現(xiàn)象；優(yōu)化水流流態(tài)，控制階梯面荷載；降低階梯面空蝕破壞風(fēng)險(xiǎn)；減小所需邊墻高度，避免因水流翻越邊墻所造成的危害；提高階梯消能工消能效果。