[发明专利]倒V字形阶梯消能工

说明书

技术领域

本发明属于水利水电工程中的内流泄洪消能设施，特别涉及一种用于溢洪道（洞）或坝面溢流的阶梯消能工。 

背景技术

田忠等在四川大学学报（工程科学版）公开了一种“V”形台阶溢洪道（见第42卷第2期，P21-25，2010年3月），由均匀连续“V”形阶梯构成。经数值模拟以及物理模型验证，其能显著改善水流，提高消能率，但在实际应用中却存在以下不足：1、由于阶梯边界由原来的直线“一”字形变为带有尖锐凸角的折线“V”字形，因此在前几级阶梯上极易产生“水翅”现象。所谓“水翅”现象是指水流下泄形成的水舌由于速度较大，水流边壁形状突然改变，在第1级阶梯面上水舌冲击力大于水舌重力，受到阶梯面的反作用力，射流方向改变，水舌被抛射并越过数级阶梯的现象。2、“水翅”现象的发生会使水流翻越溢洪道边墙冲刷岸坡或相邻建筑物基础，从而影响建筑物的安全运行。3、若不设法减弱或消除“水翅”现象，势必增加溢洪道边墙设计高度，提高工程造价。4、由于水舌被抛射并越过数级阶梯，部分阶梯被空置，减少了有效消能阶梯数目，降低消能率。5、当水舌跃离数级阶梯经抛射直接作用于某级阶梯，会增加该级阶梯负荷，影响该级阶梯的稳定性。6、由于“V”字形阶梯的水流旋滚方向是从两侧边墙向中部旋滚，造成靠近边墙附近的水流脱空、“V”形凸角处水流挤压，导致这两处部位存在低压，因而易发生空蚀空化破坏。 

针对以上所述“水翅”问题，专利申请CN102704447A公开了一种“带有过渡段的“V”形阶梯消能工”，虽在一定程度上减弱了“水翅”现象，但需要较多的过渡阶梯数目才可达到减弱的效果，而且由于过渡阶梯是从小到大逐渐变化，增大了施工难度。此外，由于该带过渡段的梯消能工是“V”形阶梯，因而在边墙附近和“V”形凸角处的空化空蚀问题仍然存在，同时“水翅”现象也有待进一步减弱，消能效率有待进一步提高。 

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种倒“V”字形阶梯消能工，以进一步削弱“水翅”现象，改善或避免边墙处和“V”形角处的空化空蚀问题，并降低施工难度。 

本发明所述倒“V”字形阶梯消能工，包括与进水口相接的直线段、与直线段相接的阶梯段和位于所述直线段和阶梯段两侧的挡水边墙，所述直线段的底坡坡度和阶梯段的底坡坡度相同，所述阶梯段由多级沿水流方向呈倒“V”字形的阶梯构成，各级倒“V”字形阶梯的长度和高度相等，“V”形角相等。 

上述倒“V”字形阶梯消能工，所述阶梯段中，各级倒“V”字形阶梯的阶梯长度L=2.5～20m，阶梯高度h=0.35～4m。 

上述倒“V”字形阶梯消能工，所述阶梯段中，各级倒“V”字形阶梯的“V”形角α=30～150°。 

上述倒“V”字形阶梯消能工，所述直线段和阶梯段的底坡坡度θ=8～53°。 

上述倒“V”字形阶梯消能工，所述直线段上设置有掺气坎。 

本发明具有以下有益效果： 

1、由于本发明所述倒“V”字形阶梯消能工的阶梯段由沿水流方向呈倒“V”字形的阶梯构成，在不降低糙率的同时优化了水流流态，由跃离“水翅”转变为贴壁水流，因而，避免了水流翻越溢洪道或消能工边墙冲刷岸坡及相邻建筑物基础，提高了阶梯消能工自身的稳定性和运行的安全性，且避免了水舌跃离数级阶梯，提高了消能率，与现有“V”字形阶梯消能工相比，水翅高度降低65%以上，消能率提高20%以上（见各实施例），与现有带过渡段的“V”字形阶梯消能工相比，水翅高度降低30%以上，消能率提高12%以上（见各实施例）。 

2、由于本发明所述倒“V”字形阶梯消能工的阶梯段为倒“V”字形阶梯，而倒“V”字形阶梯上水流中承载消能作用的涡体单元可概括为三维螺旋流，水流旋滚方向从中部向两侧边墙旋滚，与现有“V”形阶梯消能工相比，靠近边墙处的阶梯竖直面压力增大1.4倍以上，“V”形角处的压力提高12%以上（见各实施例），与现有带过渡段的“V”字形阶梯消能工相比，靠近边墙处的阶梯竖直面压力增大1.3倍以上，“V”形角处的压力提高11%以上（见各实施例），因而有效改善或避免了“V”形角和边墙处所存在的空化空蚀现象。 

3、本发明所述倒“V”字形阶梯消能工与带有过渡段的“V”字形阶梯消能工相比，结构更为简单，因而降低了施工难度，可节约施工成本，有利于推广应用。 

附图说明

图1是本发明所述倒“V”字形阶梯消能工的第一种结构示意图； 

图2是图1的俯视图； 

图3是本发明所述倒“V”字形阶梯消能工的第二种结构示意图，直线段上设置有掺气坎；