[發明專利]一種適用于階梯溢流高壩的組合式摻氣設施

在審

• 申請號: 201810647945.0
• 申請日: 2018-06-22
• 公開（公告）號: CN108661017A
• 公開（公告）日: 2018-10-16
• 發明（設計）人: 楊具瑞;郭瑩瑩;葉小勝;湯建青;張勤
• 申請（專利權）人: 昆明理工大學
• 主分類號: E02B8/06
• 分類號: E02B8/06
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明公開了一種適用于階梯溢流高壩的組合式摻氣設施，涉及水利工程水電工程技術領域。本發明將階梯溢流壩的首級臺階設計大臺階形式，使墩后水流在大臺階作用下產生較大的摻氣空腔，增加水流與空氣的接觸面積，通過高速水流下較大空腔可以卷吸入大量空氣，提高階梯溢流壩面摻氣濃度；第二，在階梯溢流壩面末端臺階水平面增設弧形摻氣槽，通過強迫摻氣的方式改變水流在傳統階梯內的水流流態，增加階梯末端水流的摻氣濃度，減少負壓。這種組合式的摻氣方式可以提高階梯溢流壩面整體摻氣減蝕能力，增大壩體的使用壽命。本發明階梯溢流壩運用于景觀設計具有較高的觀賞性。

技術領域

本發明屬于水利水電工程技術領域，具體涉及一種適用于階梯溢流高壩的組合式摻氣設施。

背景技術

我國首創寬尾墩＋階梯溢流壩＋消力池聯合消能工較好解決了高水頭、大單寬流量泄洪建筑物的消能問題，被廣泛的應用在一些大型水利工程中。尤其是在來流量不同的情況下，階梯溢流壩面的水流流態大不相同，在水流來流量較小時，水流順著臺階面一級級跌落，通過水體與水體、水體與壩面之間的不斷碰撞，一方面加大了水流的消能效果，另一方面在水流跌落的過程中周圍的空氣被吸卷到水中，形成強烈的強迫式摻氣的水氣兩相流；當上游來流量較大時，臺階內水流開始橫向旋滾，旋滾的水流與直流之間剪切作用，加大了能量的耗散，從而可以減少下游消能池的長度。如貴州省沿河縣的沙陀水電站，廣西右江百色水電站，重慶萬州區魚背山水庫等均采用寬尾墩＋階梯溢流壩＋消力池聯合消能工消能方式。百米級以上的高壩逐漸增多，通過壩面泄洪的單寬流量越來越大。這種新型的聯合消能方式在保證高消能效果的同時，臺階面空化空蝕破壞問題日益突出，甚至有些壩面出現較大空蝕坑。福建水東水電站在宣泄單寬流量90m²/s·m洪水時，溢洪道遭到不同程度的空蝕破壞；阿海水電站在運行過程中，階梯溢流壩出現大面積混凝土沖蝕、磨損現象。通過數值模擬與試驗設計可得，在寬尾墩＋階梯溢流壩＋消力池聯合消能方式中臺階面由于水舌的覆蓋，摻氣量不足，出現的負壓值較大，尤其是首級臺階負壓最大。其次，在階梯溢流壩末端臺階面上也發現較大負壓，壩面出現的這種“雙峰”現象，對壩體的穩定安全帶來較大的危害。

發明內容

為了解決階梯溢流壩出現的負壓“雙峰”問題，本發明提出一種適用于階梯溢流高壩的組合式摻氣設施

本發明的技術方案：一種適用于階梯溢流高壩的組合式摻氣設施，包括一個過渡臺階1、若干均勻臺階2和若干弧形摻氣臺階，三者依次相連，所述過渡臺階1布置在階梯溢流壩的首級臺階處，向上游連接寬尾墩8，所述弧形摻氣臺階段布置在階梯溢流壩的末端，向上連接均勻臺階2，下游連接反弧段9，弧形摻氣臺階的豎直面上和水平面上都開設有凹陷的弧形槽，其豎直面包括豎直段3和豎直弧形槽6，水平面包括兩端的第一水平段4和第二水平段5以及位于兩者之間的水平弧形槽7，豎直弧形槽6一端與豎直段3相連，另一端與第一水平段4相連。

優選的，弧形摻氣臺階的個數占過渡臺階1、均勻臺階2和弧形摻氣臺階總數的25％至35％。

優選的，過渡臺階1的高度為h₁，h＜h₁≤4h，過渡臺階1的寬度為b₁，b＜b₁≤4b，其中h為均勻臺階2的高度，b為均勻臺階2的寬度，過渡臺階1與均勻臺階2的坡度角相同。豎直段3的高度h₂=0.25h～0.33h，第一水平段4的長度b₂=0.25b，第二水平段5的長度度b₃=0.25b，豎直弧形槽6距弧形摻氣臺階豎直面的垂直距離h₃=0.09h～0.18h，水平弧形槽7距弧形摻氣臺階水平面的垂直距離h₄=0.12b～0.2b，其中h為均勻臺階2的高度，b為均勻臺階2的寬度。均勻臺階2的高度h=0.25m～1.5m，均勻臺階2的寬度b＝0.25m～2.0m。