[发明专利]水跃掺气阶梯溢洪道

说明书

技术领域

本发明涉及水利水电工程泄洪消能设施中的阶梯溢洪道，主要用于在大单宽流量的条件下，减免阶梯溢洪道的空蚀破坏风险，满足工程安全运行的需要。

背景技术

随着水利水电工程建设的快速发展，以窄河谷、高水头、大泄量等为特征的水利水电工程泄水建筑物所带来的高速水流问题接踵而至，随之产生的空化空蚀问题也逐渐引起人们的关注。

阶梯消能工是水流沿坝面或溢洪道表面的阶梯逐级掺气、减速、掺混、紊动消能的。这种消能工比一般光滑表面的消能率有显著提高。然而工程实践表明，随着来流单宽流量的增大，一方面，阶梯溢洪道表面尤其是竖直面负压较大，容易产生空化。另一方面，由于水深的增加，掺气起始断面下移，致使流动掺气不足，溢洪道的阶梯面极易发生空蚀破坏，并且消能率降低。

因此，大单宽流量下阶梯溢洪道的空蚀破坏问题一直是工程中亟待解决的难题和制约性问题。

发明内容

本发明提出一种水跃掺气阶梯溢洪道，在传统阶梯溢洪道的基础上，增设水跃掺气池，利用水跃掺气池中的水跃旋滚，为下游阶梯溢洪道提供掺气水流。

本发明采用如下技术方案：

一种水跃掺气阶梯溢洪道，包括WES溢流堰和阶梯溢洪道，在WES溢流堰与阶梯溢洪道之间设有水跃掺气池，所述水跃掺气池上接WES溢流堰、下接阶梯溢洪道。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明通过改变水跃掺气池长度及尾坎高度有效地控制水跃掺气池尾坎出流掺气浓度，大单宽流量下仍能保持阶梯溢洪道充分掺气，因此可有效地减免阶梯溢洪道的空蚀破坏。WES溢流堰位于最前面，为水跃掺气池提供具有一定动能的下泄水流。水流自WES溢流堰进入水跃掺气池，发生水跃，其上部的旋滚内水流作剧烈的回旋运动，翻腾滚动掺入大量气泡，进一步强化了掺气效果，并随主流进入阶梯溢洪道，水跃掺气池中的水跃旋滚为阶梯溢洪道的流动掺气，可以且尤其可以在大单宽流量条件下有效减免传统阶梯溢洪道掺气不足引发的空蚀破坏。

水跃掺气池的结构参数包括水跃掺气池的长度l_P和水跃掺气池的尾坎高度s_P。在大单宽流量的条件下，通过控制水跃掺气池的长度及尾坎高度来控制水跃流态及水跃掺气池的尾坎出流掺气效果，实现在保持水跃流态稳定的同时，尾坎出流有较好的掺气效果。根据工程实际经验，当水流掺气浓度达到1％以上，就可以有效减小或避免过流面的空蚀破坏。在水跃掺气池的作用下，阶梯溢洪道首级阶梯即可获得较好的掺气，这对保证阶梯溢洪道减小或减免空蚀破坏是至关重要的。

1、结构布置简单。

2、整体流态稳定，水跃掺气池体型易优化，施工可操作性强，可广泛用于各种水利工程。

3、在大单宽流量条件下(q＞60m²/s)阶梯溢洪道在首级阶梯即能获得较好的掺气，提高了阶梯溢洪道对单宽流量的适用范围。

本发明对于有效减小或避免阶梯面的空蚀破坏是非常有意义的，力求达到通过水跃旋滚掺气为阶梯溢洪道提供流动掺气的目的。本项发明结构简单易行，有效性已得到试验验证。

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是本发明水跃掺气阶梯溢洪道整体结构及示意图；

图2是水跃掺气池流动示意图；

图3是本发明所述水跃掺气阶梯溢洪道中水跃掺气池第一种结构示意图。

图4是图3在单宽流量分别为60.00m²/s、90.00m²/s、110.00m²/s、120.20m²/s、134.70m²/s时的流态。

图5是图3在单宽流量分别为60.00m²/s、90.00m²/s、110.00m²/s、120.20m²/s、134.70m²/s时的尾坎出流断面掺气浓度分布。

图6是本发明所述水跃掺气阶梯溢洪道中水跃掺气池第二种结构示意图。

图7是图6在单宽流量分别为60.00m²/s、90.00m²/s、110.00m²/s、120.20m²/s、134.70m²/s时的流态。