[实用新型]一种突扩式掺气结构

说明书

本实用新型公开了一种突扩式掺气结构，包括WES溢流堰，WES溢流堰用于与上游水库连接，WES溢流堰上间隔设有宽尾墩；阶梯坝，阶梯坝的末端连接有消力池；掺气坎，WES溢流堰通过掺气坎与阶梯坝连接，掺气坎上设有突扩体，突扩体靠近WES溢流堰的一端为起始端，突扩体靠近阶梯坝的一端为末端，突扩体的高度从起始端向末端增大。通过在掺气坎上设置突扩体，从宽尾墩之间流出的水流流经突扩体，从而得到充分的掺气，避免了水流在阶梯坝上出现不连续空腔，水流在消力池内紊动强度和紊动耗散率更大，加快了能量的耗散，从而极大地减轻了下泄水流对消力池底板的冲刷破坏。

技术领域

本实用新型涉及水利工程技术领域中的一种突扩式掺气结构。

背景技术

泄水建筑物在大型水利工程中扮演着举足轻重的角色。消能泄洪问题随着现代水利工程高坝的建设越来越突出，如底板临底流速和脉动压强较大，抗冲刷保护难度大，下泄水流易对坝体及下游基坑的冲刷，导致坝体破坏和坝基失稳，且因消力池尺寸大导致造价高等，这些问题限制了高坝的消能方式研究与工程实践。在我国80年代主要的三大消能方式包括底流消能、面流消能和挑流消能，在水利工程中均已得到广泛应用，但研究表明，三种传统的消能方式具有一定缺陷，如挑流消能水流雾化较为严重，从而影响到岸边边坡的稳定；采用底流消能的方式易导致消力池出现较大的脉动压强，且消能率较低；面流消能的临底流速过大，易对消力池产生冲刷，影响坝体安全等。同时随着水电事业的发展，传统的消能方式已不再满足现代水利安全消能泄洪的要求。相关学者在前人总结底流消能的基础上，将阶梯坝引入消能，利用阶梯坝面台阶形成多级跌坎，下泄水流沿坝坡逐级掺气，并在阶梯上形成翻滚，阶梯上的漩滚水流与下泄主流以相互剪切的形式消耗下泄水流能量。这种消能方式显著的提高了阶梯面上水流的掺气浓度，在消能效果上得到大大的增强，使阶梯面避免了空化空蚀的威胁。但这种强迫掺气的方式，只适用于单宽流量在40m³/(s·m)的情况下，其消能效果与溢流坝坡度密切相关。

随着一系列单宽流量均高于40m³/(s·m)的高坝建设，单纯的靠阶梯坝消能泄洪已不再适用，在下泄流量较大时，溢流水舌完全覆盖在阶梯面，阶梯坝面难以与外界通气，使水舌底部掺气率较低，导致阶梯坝面发生空化空蚀破坏。为了解决高水头、大单宽流量下的消能泄洪问题，我国提出了宽尾墩、阶梯坝和消力池的一体化消能工，该消能工同时拥有宽尾墩消能和阶梯坝面消能的优点，大大提高了宽尾墩的消能效率，同时因宽尾墩作用，在阶梯面前段出现无水区，使得外界空气通过无水区向水舌底部源源不断地通气，形成动态平衡的挟气过程，避免了阶梯面发生空蚀空化破坏。宽尾墩与阶梯坝联合运用的消能方式解决了阶梯面通气问题，使阶梯坝朝着高水头、大单宽流量方向发展。但在高水头、大单宽流量条件下，阶梯坝面上水深加大，水舌底部仍然掺气不及时，阶梯面水流掺气浓度较低，阶梯坝面依然受到了空蚀破坏的威胁，如福建水东水电站通过单宽流量为90m³/(s·m)时，尽管阶梯坝与宽尾墩联合应用，但是在溢洪道部分仍然发生了空蚀破坏，又如阿海水电站在实际运行后，发现阶梯坝面也遭到了空化空蚀破坏。

为了解决宽尾墩、阶梯坝和消力池一体化消能工在高水头、大单宽流量运行时阶梯面空蚀破坏问题，保证阶梯坝应力和稳定要求，进一步提高下泄流量，需寻求合理掺气设施，能使水流平稳过渡和衔接，减小负压，避免发生空化空蚀破坏的可能。

实用新型内容

本实用新型的目的在于至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种突扩式掺气结构，能减少阶梯面空蚀破坏现象。

根据本实用新型的实施例，提供一种突扩式掺气结构，包括WES溢流堰，所述WES溢流堰用于与上游水库连接，所述WES溢流堰上间隔设有宽尾墩；阶梯坝，所述阶梯坝的末端连接有消力池；掺气坎，所述WES溢流堰通过所述掺气坎与所述阶梯坝连接，所述掺气坎上设有突扩体，所述突扩体靠近所述WES溢流堰的一端为起始端，所述突扩体靠近所述阶梯坝的一端为末端，所述突扩体的高度从起始端向末端增大。

根据本实用新型的实施例，进一步地，所述突扩体的高度从其自身中线向两侧减小。