[发明专利]一种可调节掺气消能的反弧阶梯型溢流坝

说明书

本发明涉及水利设施技术领域，提供一种可调节掺气消能的反弧阶梯型溢流坝，包括：所述反弧阶梯型溢流坝的迎水面为垂直面；所述反弧阶梯型溢流坝的过水面包括n个依次连接的阶梯面；其中，第一个阶梯面包括第一WES溢流段和与第一WES溢流段连接的反弧曲面；所述第一WES溢流段包括：依次连接的第一弧型曲面、第二弧型曲面、第三弧型曲面和幂曲面；除第一个阶梯面外的阶梯面包括第二WES溢流段和与第二WES溢流段连接的反弧曲面；所述第二WES溢流段包括依次连接的第二弧型曲面、第三弧型曲面和幂曲面；每个阶梯面的幂曲面与对应的反弧曲面连接。本发明能够减小阶梯溢流坝空蚀破坏风险、提高消能率和增大水中掺气量。

技术领域

本发明涉及水利设施技术领域，尤其涉及一种可调节掺气消能的反弧阶梯型溢流坝。

背景技术

随着我国水电工程的高速发展，大单宽流量下的高坝泄洪成为一项重要的研究方向。阶梯消能工具有结构简单、施工快捷、造价较低、在一定的单宽流量范围内消能率高和掺气充分等特点，可广泛应用于中小单宽流量的水电工程。

然而，传统的直角阶梯溢流坝结构会使大单宽流量下水流扰动作用减弱，导致消能和掺气效果降低，容易在阶梯面上产生大范围的掺气盲区，增大阶梯面的空蚀风险。

此外，对于城市内陆河道，由于工业废水和生活污水的大量排入，导致河水污染严重，城市内陆河道水流速度较慢，水中溶解氧含量严重不足，水体自净能力受到限制，极大地影响城市整体形象。若使用传统直角阶梯拦水坝增加水中掺气量，则由于水流在坝面滞留时间较短，增氧效果有限。

发明内容

本发明主要解决现有技术阶梯溢流坝具有空蚀风险以及增加水中掺气量有限等技术问题，本发明提出一种水利工程中新型消能工或者环保领域中的可调节掺气消能的反弧阶梯型溢流坝，具有n个WES溢流面和n个反弧面的反弧阶梯溢流坝，兼具泄洪消能和掺气复氧功能，能够减小阶梯结构空蚀破坏风险、提高消能率和增大水中掺气量。本发明既可应用于高水头泄洪消能，也可应用于低水头内陆河道生态景观溢流坝。

本发明提供了一种可调节掺气消能的反弧阶梯型溢流坝，包括：

所述反弧阶梯型溢流坝的迎水面为垂直面；

所述反弧阶梯型溢流坝的过水面包括：n个依次连接的阶梯面；其中，第一个阶梯面包括第一WES溢流段和与第一WES溢流段连接的反弧曲面；所述第一WES溢流段包括：依次连接的第一弧型曲面、第二弧型曲面、第三弧型曲面和幂曲面；

除第一个阶梯面外的阶梯面包括第二WES溢流段和与第二WES溢流段连接的反弧曲面；所述第二WES溢流段包括依次连接的第二弧型曲面、第三弧型曲面和幂曲面；

每个阶梯面的幂曲面与对应的反弧曲面连接；n个阶梯面的反弧曲面的半径和挑角相同或者不同。

进一步的，所述第一弧型曲面的半径为：R₁＝0.04H；

所述第二弧型曲面的半径为：R₂＝0.2H；

所述第三弧型曲面的半径为：R₃＝0.5H；

所述幂曲面的函数表达式为：

其中，R₁表示第一弧型曲面的半径，R₂表示第二弧型曲面的半径，R₃表示第三弧型曲面的半径，H表示上游堰上水头，x表示阶梯型溢流坝所在坐标系的x轴坐标值，y表示阶梯型溢流坝所在坐标系的y轴坐标值。

进一步的，所述幂曲面与对应的反弧曲面平滑连接，连接点为二者的公共切点。

进一步的，所述反弧曲面的反弧半径为：