[发明专利]前置掺气池掺气的阶梯消能方法和消能工

说明书

技术领域

本发明涉及水利水电工程泄水建筑物中的一种消能方法和消能工，尤其涉及一种前置掺气池掺气的阶梯消能方法和与之相应的消能工。

背景技术

近年来随着水利水电工程建设的发展，以窄河谷、高水头和大泄量等为特征的水利水电工程泄水建筑物的高速水流问题尤为突出，消能防冲和空化空蚀问题日趋引人关注，一直是工程设计中亟待解决的难题和制约性问题。如，上世纪建成的二滩水电工程，坝高240m，泄量超过20000m³/s，泄洪功率达到39000MW；正在建设的白鹤滩工程坝高277m，泄量超过48200m³/s，泄洪功率达到96933MW。

相对于传统泄洪消能方式，包括：挑流、底流、面（戽）流等，阶梯消能工有其自身的一些特点。阶梯消能工作为一种利用水流在坡面台阶形成强烈横轴漩滚及水流掺气，使能量沿流程大大消散，对改善坝下冲刷，简化消能防冲设施，提高消能效率，避免空蚀及雾化发生等具有显著成效。特别是随着碾压混凝土坝（RCC）技术的兴起，阶梯消能工得到了更广泛的应用。然而，需要特别说明的是：就工程建设和应用现状而言，阶梯消能工多适用于单宽流量较小（q≤60m²/s）的状况。当单宽流量增加，阶梯面上的水深增加，掺气发生点大大地向下游移动，在阶梯起始段的一定范围内，导致消能作用减弱，并引发结构严重的空蚀破坏。

发明内容

本发明提出一种前置掺气池掺气的阶梯消能方法和和消能工,本发明可以在大单宽流量下保持较高的消能率和结构防空化空蚀危害，满足工程在消能及安全方面的需要。

本发明采用如下技术方案：

本发明所述的一种前置掺气池掺气的阶梯消能方法，对200m–300m的高坝泄水建筑物，通过分级进行消能。在每一级消能中，对出流水舌进行前置掺气和阶梯消能，所述的前置掺气和阶梯消能是将出流水舌引入掺气池，出流水舌在掺气池中形成掺气旋滚并得以充分掺气，再用阶梯泄槽对充分掺气后的水流进行阶梯消能。

本发明所述的一种前置掺气池掺气的消能工，包括逐个下降与分级数量相等设置的掺气池，掺气池后连接阶梯泄槽，在掺气池的上游端连接有前置阶梯，形成完整的一级消能工。然后，在下一级消能中，重复上述结构。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

本发明利用出流水舌和掺气池进行掺气，从阶梯泄槽的第一级开始，为阶梯泄槽上的流动实施充分的掺气，通过这种掺气作用，实施在大单宽流量下（q>60m²/s），提高消能率并避免消能工结构的空蚀破坏。在本发明中，掺气池的主要功能是为其下游阶梯泄槽的流动提供充分的掺气，避免阶梯泄槽结构的空化空蚀破坏。本发明提出的消能方法及与之相应的消能工，可以实施在大单宽流量下（q>60m²/s），通过掺气克服传统阶梯消能工的容易空蚀及消能率不足等问题。本发明具有以下优点：

（1）结构形式简单，施工方便；

（2）开挖量有限，有利于结构布置；

（3）在大单宽流量条件下（q>60m²/s）能保持高消能率；

（4）不存在空蚀和雾化问题；

（5）流态稳定。

本发明对于水利水电工程泄水建筑物，提高消能率、避免空蚀发生等方面是非常有意义的，力求通过掺气池的掺气作用，达到在大单宽流量下提高消能率及避免空蚀破坏的目的。本项发明结构简单易行，有效性已得到试验验证，可以在满足工程所需泄量较高的前提下，保证足够的消能率且不发生空蚀破坏，使泄水建筑物安全、稳定运行及消能效果得到保障。

本发明的目的、优点和特点，将通过下面优先实施例的非限制性说明进行图示和解释，这些实施例是参照附图仅作为例子给出的。

附图说明

图1是本发明前置掺气池掺气的阶梯消能工结构及流态示意图。

图2是试验装置系统和前置掺气池掺气的阶梯消能工物理模型实物照片。

图3是工程实施例2在水舌水流流态下的掺气池段的实验照片（q=4.51m²/s）。

图4是工程实施例2在水舌水流流态下的阶梯泄槽段的实验照片（q=4.51m²/s）。

图5是工程实施例2在过渡水流流态下的掺气池段的实验照片（q=10.28m²/s）。

图6是工程实施例2在过渡水流流态下的阶梯泄槽段的实验照片（q=10.28m²/s）。