[發(fā)明專利]一種具有預(yù)摻氣結(jié)構(gòu)的階梯溢洪道及施工方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110309785.0
• 申請(qǐng)日: 2021-03-23
• 公開（公告）號(hào): CN113047241A
• 公開（公告）日: 2021-06-29
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 馬飛;吳偉偉;劉進(jìn);吳建華;尤磊;劉雨辰;丁如希;夏涵秋
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 河海大學(xué)
• 主分類號(hào): E02B8/06
• 分類號(hào): E02B8/06
• 代理公司: 南京千語知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 32394
• 代理人: 尚于杰;祁文彥

本發(fā)明公開了一種具有預(yù)摻氣結(jié)構(gòu)的階梯溢洪道及施工方法，階梯溢洪道包括若干個(gè)階梯，在階梯溢洪道摻氣發(fā)生點(diǎn)的上游某一階梯的出水口處設(shè)置有預(yù)摻氣結(jié)構(gòu)，當(dāng)來流為急流，水流經(jīng)過收縮邊墻后形成射流水舌。本發(fā)明所述階梯溢洪道結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，預(yù)摻氣結(jié)構(gòu)參數(shù)取值合理的情況下，可在各來流條件下均能形成射流水舌，射流水舌分別從底、側(cè)空腔向水流底部和側(cè)向摻氣，從而實(shí)現(xiàn)全斷面摻氣的效果，本發(fā)明提出的收縮式預(yù)摻氣結(jié)構(gòu)可提供摻氣濃度高于2％的摻氣水流，為下游階梯提供摻氣充分的預(yù)摻氣水流，大幅消減階梯溢洪道的摻氣盲區(qū)，防止階梯溢洪道空蝕破壞，擴(kuò)大階梯溢洪道的適用范圍。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及泄水建筑物技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種具有預(yù)摻氣結(jié)構(gòu)的階梯溢洪道。

背景技術(shù)

在眾多形式的泄水建筑物中，階梯溢洪道能使泄流的能量沿程耗散，從而大幅減小下游所需建設(shè)的消力池長(zhǎng)度，從而降低整個(gè)工程的造價(jià)，階梯溢洪道已廣泛應(yīng)用于水利水電工程中。通常，階梯溢洪道上水流表面可發(fā)生自摻氣，摻氣發(fā)生點(diǎn)下游的水流為摻氣水流，這種摻氣水流減免了溢洪道空蝕破壞。但是，在大單寬流量下(超過60m²/s)，階梯溢洪道上的摻氣發(fā)生點(diǎn)將顯著地向下游移動(dòng)，導(dǎo)致階梯溢洪道上水流出現(xiàn)大范圍摻氣盲區(qū)(清水區(qū))。當(dāng)階梯溢洪道摻氣盲區(qū)內(nèi)水流流速較大時(shí)，此區(qū)域內(nèi)階梯極易發(fā)生空蝕破壞，實(shí)際工程中已有多起案例，如我國(guó)魯?shù)乩娬倦A梯溢洪道就在摻氣盲區(qū)內(nèi)發(fā)生了嚴(yán)重的空蝕破壞。

摻氣減蝕技術(shù)(即通過在水工泄水道上設(shè)置摻氣設(shè)施)，可以向水流內(nèi)摻入大量的空氣，從而達(dá)到減免其空化空蝕破壞的目的。摻氣減蝕技術(shù)簡(jiǎn)單、高效，目前大型水利水電工程的泄水建筑物一般都設(shè)有摻氣設(shè)施。

為了消除階梯溢洪道上游的摻氣盲區(qū)，現(xiàn)有技術(shù)中將傳統(tǒng)的摻氣設(shè)施，如通氣孔、跌坎和挑坎，設(shè)置在階梯溢洪道上游，通氣孔雖然可保證通氣線路的順暢，但其孔口易堵塞，影響摻氣效果；跌坎和挑坎在大流量的情況下工作，由于重力的作用，空腔回水現(xiàn)象嚴(yán)重，其摻氣效果亦不佳。因此，傳統(tǒng)的摻氣設(shè)施無法解決大單寬流量下的階梯溢洪道空化空蝕問題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于針對(duì)大單寬流量下階梯溢洪道上游摻氣不足，可能發(fā)生空蝕破壞的問題，提出一種具有預(yù)摻氣結(jié)構(gòu)的階梯溢洪道及施工方法。

為實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種具有預(yù)摻氣結(jié)構(gòu)的階梯溢洪道，包括若干個(gè)階梯，在階梯溢洪道摻氣發(fā)生點(diǎn)的上游某一階梯的出水口處設(shè)置有預(yù)摻氣結(jié)構(gòu)，預(yù)摻氣結(jié)構(gòu)為一對(duì)直三棱柱，兩個(gè)直三棱柱的結(jié)構(gòu)相同，直三棱柱的底面為直角三角形edf，其中直角邊ed與階梯溢洪道邊墻重合，直角邊df與該階梯出水口處的側(cè)邊重合，斜邊ef與階梯溢洪道邊墻之間的夾角為收縮角θ；直三棱柱與階梯溢洪道的邊墻共同在該階梯處形成了收縮式邊墻4，一對(duì)直三棱柱在階梯出水口處形成窄縫，窄縫的寬度為b，階梯溢洪道寬度為B，窄縫寬度b與階梯溢洪道寬度B的比值為斷面收縮比γ，當(dāng)來流為急流，水流經(jīng)過收縮邊墻后形成射流水舌。

優(yōu)選地，來流佛氏數(shù)為1.2～1.7時(shí)，收縮角θ取值范圍為18.4°～45°，斷面收縮比γ取值范圍為0.567～0.767。

優(yōu)選地，預(yù)摻氣結(jié)構(gòu)設(shè)置于自階梯溢洪道進(jìn)口起的第2～5級(jí)階梯的出水口處。依據(jù)階梯溢洪道自摻氣的特性，階梯級(jí)數(shù)的增加并不影響摻氣發(fā)生點(diǎn)位置的移動(dòng)，即無論階梯級(jí)數(shù)多少，設(shè)置在第2～5級(jí)臺(tái)階皆可有效摻氣。

一種具有預(yù)摻氣結(jié)構(gòu)的階梯溢洪道的施工方法，首先將在實(shí)驗(yàn)室中設(shè)計(jì)出實(shí)際階梯溢洪道的物理模型并進(jìn)行摻氣減蝕試驗(yàn)，得到該實(shí)際階梯溢洪道的摻氣發(fā)生點(diǎn)，然后在摻氣發(fā)生點(diǎn)上游的某一階梯出水口處設(shè)置預(yù)摻氣結(jié)構(gòu)，預(yù)摻氣結(jié)構(gòu)與階梯溢洪道一同施工，或在現(xiàn)有階梯溢洪道上單獨(dú)澆筑一對(duì)直三棱柱，使直三棱柱與已有階梯溢洪道固結(jié)成一體。

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