[发明专利]泄洪洞内掺气型曲线阶梯消能工

说明书

技术领域

本发明属于水利水电工程中使用的消能设施，特别涉及一种用于高流速的两高度不同的平行泄洪洞或有压隧洞与下游泄洪洞的曲线连接洞体的阶梯消能工。

背景技术

现有工程中，两高度不同的平行泄洪洞的连接洞体底板往往设计为光滑渥奇曲线，由于连接洞体进口流速很大，导致连接洞体内和连接洞体后的下游泄洪洞流速也很大，因此要设置掺气保护措施。为了达到消能的目的，减小对下游河道的冲刷，在泄洪洞出口或者在泄洪洞内需设置消力池等消能设施，但是需要较大的工程量，增加工程投资。

阶梯消能工在水利工程中的应用历史虽然较长，但通常使用在溢流坝和溢洪道的直坡上，与其它消能工一起使用，共同消能。对于高流速的明流泄洪洞，或者高流速有压出口的泄洪洞，设置突跌突扩型掺气设施时，如果阶梯面为传统的水平面时，连接段水流流态不好，容易产生水翅现象，同时阶梯上难于产生横向旋滚水流，而易产生空腔，形成负压区，因此一般不使用阶梯消能工。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种泄洪洞内掺气型曲线阶梯消能工，以解决两高度不同的平行泄洪洞或有压隧洞与下游泄洪洞的连接洞体内和下游泄洪洞流速大，流态难以调节，容易空化空蚀、消能率低等问题，并减小工程量，降低工程投资。

本发明的技术方案：在曲线连接洞体的进口处设置掺气装置，在曲线连接洞体底板上设置阶梯消能工并对阶梯体型进行优化。

本发明所述泄洪洞内掺气型曲线阶梯消能工，包括在两高度不同的平行泄洪洞或有压隧洞与下游泄洪洞之间的曲线连接洞体进口处设置的掺气装置、在曲线连接洞体底板上设置的阶梯消能工，所述阶梯消能工位于曲线连接洞体底板的调整斜坡段后，从高位至低位，依次为斜面阶梯段、过渡阶梯段和水平阶梯段，水平阶梯段或直接与下游泄洪洞底板相接，或通过反弧段、调整水平段与下游泄洪洞底板相接。

本发明所述泄洪洞内掺气型曲线阶梯消能工的机理：来自上游泄洪洞或有压隧洞的高速水流进入曲线连接洞体，曲线连接洞体进口处设置的掺气装置对水流侧面和底部掺气，调整斜坡段调整好水舌与底板的接触，有效的避免水舌冲击底板，同时也可以为掺气装置提供足够的空腔长度；水舌流过调整斜坡段后，斜面阶梯段和过渡阶梯段将水流过渡到水平阶梯段，使水流方向与底板坡度方向趋于平行，主要消能处在水平阶梯段，水流经水平阶梯段后能量大大减小，流速降低，平缓地进入下游泄洪洞。

曲线连接洞体底板上的调整斜坡段坡度和长度根据上游泄洪洞或有压隧洞来流的流速决定，流速越大，其坡度越小，长度越长，以便有效控制该段的空腔长度和水流表面形态。斜面阶梯段的长度也根据上游泄洪洞或有压隧洞来流的流速决定，流速越大，长度越长；水平阶梯段的长度根据上游泄洪洞或有压隧洞与下游泄洪洞之间的高程差和设计需要的消能率确定，高程差越大，要求的消能越大，水平阶梯段的长度越长。

为了更好地实现发明目的，阶梯消能工的有关几何参数如下：

斜面阶梯段的阶梯坡度i_i＝1∶20～5，阶梯高度0<h_i<1.0m；水平阶梯段的阶梯高度h大于斜面阶梯段的阶梯高度h_i，阶梯长度l为阶梯高度h的1～5倍。

过渡阶梯段的阶梯高度从斜面阶梯段的阶梯的高度h_i过渡至水平阶梯段的阶梯高度h。

本发明具有以下有益效果：

1、曲线连接洞体进口处的掺气装置可以有效地对进口高速水流进行掺气，掺气水流能够保护好前几级阶梯，减轻或避免台阶发生空蚀破坏的可能性，曲线连接洞体底板上的阶梯消能工可以将高速水流的方向有效的过渡到与阶梯坡度平行，调整好曲线连接洞体的流态，大大降低曲线连接洞体出口流速，从而达到消能目的，减小对下游泄洪洞的冲刷。

2、下游泄洪洞不需设置掺气减蚀设施，体型设计和施工更为方便和简单。

3、与在泄洪洞出口或者泄洪洞内设置消力池等消能装置相比，工程量减小，工程投资降低。

4、本发明所述的掺气型曲线阶梯消能工结构简单，体型优化容易，可广泛使用在不同流量和不同坡度的泄洪洞的曲线连接洞体中。

附图说明

图1是本发明所述泄洪洞内掺气型曲线阶梯消能工的一种结构示意图；

图2是图1的A-A剖视图；

图3是图1的I—I剖面放大图；

图4是图1的II—II剖面放大图；

图5是图1的III—III剖面放大图；

图6是图1的IV—IV剖面放大图；