阅读说明：本技术 一种提高流动掺气和消能的差动式阶梯溢洪道及其使用方法 (Differential step spillway capable of improving flowing aeration and energy dissipation and using method thereof ) 是由 周宇 周建芬 毛前 王伟珍 胡旭申 舒展 叶涵 杨惠杰 李静 于 2021-10-25 设计创作，主要内容包括：本发明涉及水利水电工程中溢洪道泄洪消能技术领域,尤其为一种提高流动掺气和消能的差动式阶梯溢洪道及其使用方法,该溢洪道是由侧墙和阶梯溢流段构成,所述侧墙上端面固定连接有均匀分布的阶梯溢流段,所述阶梯溢流段在原有横向剖面为矩形,且阶梯溢流段沿程以同一尺寸均匀布置的传统阶梯的基础上增加交错排列的楔形结构；本发明中,针对直段溢洪道,通过设置阶梯溢流段,使阶梯横断面产生一定的坡度倾斜,增加水流横向紊动的同时形成了一定的压力差,利于能量消耗的同时加强了边墙对空气的卷吸作用,在沿水流方向,通过阶梯溢流段交错布置造成的流动落差增大,进一步增大了水流纵向的紊动,从掺气和消能的角度保证了溢洪道的正常泄流与安全运行。(The invention relates to the technical field of spillway flood discharge and energy dissipation in water conservancy and hydropower engineering, in particular to a differential step spillway for improving flowing aeration and energy dissipation and a using method thereof, wherein the spillway is composed of a side wall and step overflow sections, the upper end surface of the side wall is fixedly connected with the step overflow sections which are uniformly distributed, the original transverse section of the step overflow sections is rectangular, and the step overflow sections are additionally provided with wedge-shaped structures which are arranged in a staggered manner on the basis of traditional steps which are uniformly arranged along the way in the same size; according to the invention, the straight section spillway is provided with the step overflow section, so that the cross section of the step is inclined at a certain gradient, a certain pressure difference is formed while the transverse turbulent fluctuation of water flow is increased, the energy consumption is facilitated, the entrainment effect of the side wall on air is enhanced, the flow drop caused by the staggered arrangement of the step overflow sections is increased along the water flow direction, the longitudinal turbulent fluctuation of water flow is further increased, and the normal discharge and safe operation of the spillway are ensured from the aspects of aeration and energy dissipation.)

一种提高流动掺气和消能的差动式阶梯溢洪道及其使用方法

技术领域

本发明涉及水利水电工程中溢洪道泄洪消能技术领域，具体为一种提高流动掺气和消能的差动式阶梯溢洪道及其使用方法。

背景技术

溢洪道作为水利水电工程泄水建筑物的重要设施，除了应该满足一定的泄洪能力外，还应保证泄水建筑物的安全，不仅包括溢洪道在泄流中结构的安全性，还包括出溢洪道水流与下游河道水流的安全衔接，阶梯溢洪道作为一种溢洪道的形式，通过阶梯凸体结构与水流之间的相互作用，迫使水流产生强烈地紊动，掺入大量空气，消耗水流的动能，阶梯溢洪道有效的掺气作用，形成全断面高浓度的掺气水流，能够有效消除或抑制阶梯凸体的空化空蚀，阶梯溢洪道有效的消能作用，减小溢洪道的泄流对河道及其两岸的冲刷，保证其与下游河道水流的良好衔接，传统阶梯溢洪道指的是各级阶梯的横向外缘线呈直线、纵剖面为矩形且沿程以同一尺寸均匀布置的结构形式，随着单宽流量的增大，阶梯溢洪道的掺气起始点发生下移，掺气起始点之前形成掺气盲区，掺气盲区的大小随着流量的增加而扩大，当流量增大到一定程度时，该盲区容易发生空化空蚀，导致一定的泄流流量受限，对于弯道溢洪道，除了大单宽流量下掺气起始点下移的影响外，由于离心力的影响，泄流弯道外侧出现明显的水面壅高，加上原本掺气强烈，水流超高严重，影响流动的泄流能力，因此，针对上述问题提出一种提高流动掺气和消能的差动式阶梯溢洪道及其使用方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种提高流动掺气和消能的差动式阶梯溢洪道及其使用方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种提高流动掺气和消能的差动式阶梯溢洪道及其使用方法，该溢洪道是由侧墙和阶梯溢流段构成，所述侧墙上端面固定连接有均匀分布的阶梯溢流段，所述阶梯溢流段在原有横向剖面为矩形，且阶梯溢流段沿程以同一尺寸均匀布置的传统阶梯的基础上增加交错排列的楔形结构。

优选的，所述侧墙的垂直投影可为曲线或直线，当为曲线，即溢洪道为弯道时，楔形结构顶角指向弯道内侧，当为直线时，即溢洪道为直道时，楔形结构顶角指向直道两侧。

优选的，所述阶梯溢流段在原本传统阶梯溢洪道的基础上增加了交错排列的楔形结构，从正面横向投影看，每级阶梯上均为直角三角形，底边与阶梯宽度相同，直角边高度为阶梯高度的1/3，上下两级阶梯的直角三角形相对于溢洪道的中轴线呈镜像关系，对于弯道泄流，所述阶梯溢流段各级结构相同，从正面横向投影看，直角三角形的底边与溢洪道宽度相同，直角边均与弯道外侧相连，其高度为阶梯高度的1/3。

优选的，使用步骤如下：本发明提出的直段泄流的差动式阶梯溢洪道以交错布置，各级阶梯上由于底板的倾斜，横截面上的水位高低不平，沿流动方向形成水面高低交错的水流流态，小流量阶梯溢洪道常见的跌落流态下，由上一级阶梯上的水流跌落至下一级阶梯上，由于上下级阶梯内侧高度的不同，相比传统阶梯溢洪道形成了更大的跌落高度，形成更大的激溅，增大了水流内部的冲击作用，形成更大的掺气和消能效果，大流量时阶梯溢洪道常见的滑行流态下，由水深高度的不同造成在同一截面形成一定的压差，有利于空气从侧墙卷吸进入水中，提高水流的掺气浓度，有利于降低空蚀几率，保证了安全的泄流，滑行水流的主流下面形成的漩滚区由于交错结构增大其区域，水流在区域内漩滚的更加剧烈，更有利于能量的消耗和漩滚掺气，横截面的一定倾斜度也加强了水流的横轴紊动；沿着斜坡流向，增加水流的横向作用，一般而言，弯道水流受到离心惯性力的作用，会出现凹岸水位超高的不良现象，本装置提出的弯段泄流的差动式阶梯溢洪道，通过增加弯曲的阶梯溢洪道，抬高凹岸的底板高程，使其高于凸岸，以平衡弯曲段的离心力，提高弯道的泄流效率，阶梯溢洪道的常见流态下，由于水流兼具横向流速，增加了水流的三维紊动效果，更有利于掺气和消能的发生。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明中，针对直段溢洪道，通过设置阶梯溢流段，使阶梯横断面产生一定的坡度倾斜，增加水流横向紊动的同时形成了一定的压力差，利于能量消耗的同时加强了边墙对空气的卷吸作用，在沿水流方向，通过阶梯溢流段交错布置造成的流动落差增大，进一步增大了水流纵向的紊动，从掺气和消能的角度保证了溢洪道的正常泄流与安全运行；

2、本发明中，针对弯段溢洪道，通过阶梯面上的斜坡结构，使横断面沿弯道的内侧有一定的偏斜，抵消了部分由于离心力造成的水面壅高严重的现象，从而保证了弯段溢洪道的有效泄流；

3、本发明中，提出的直弯道差动式阶梯溢洪道结构可根据溢洪道的弧度进行调整，容易设计调整，布置的灵活性也更高，每级阶梯虽然样式不同(一正一反)，但可使用统一的模具，施工容易，工程量小，实用性更强。

附图说明

图1为本发明直段溢洪道结构示意图；

图2为本发明直段溢洪道侧视图；

图3为本发明弯段溢洪道结构示意图；

图中：1-侧墙、2-阶梯溢流段。

具体实施方式

实施例1：

请参阅图1、图2和图3，本发明提供一种技术方案：

一种提高流动掺气和消能的差动式阶梯溢洪道及其使用方法，该溢洪道是由侧墙1和阶梯溢流段2构成，侧墙1上端面固定连接有均匀分布的阶梯溢流段2，阶梯溢流段2在原有横向剖面为矩形，且阶梯溢流段2沿程以同一尺寸均匀布置的传统阶梯的基础上增加交错排列的楔形结构。

侧墙1的垂直投影可为曲线或直线，当为曲线，即溢洪道为弯道时，楔形结构顶角指向弯道内侧，当为直线时，即溢洪道为直道时，楔形结构顶角指向直道两侧。

阶梯溢流段2在原本传统阶梯溢洪道的基础上增加了交错排列的楔形结构，从正面横向投影看，每级阶梯上均为直角三角形，底边与阶梯宽度相同，直角边高度为阶梯高度的1/3，上下两级阶梯的直角三角形相对于溢洪道的中轴线呈镜像关系，对于弯道泄流，阶梯溢流段2各级结构相同，从正面横向投影看，直角三角形的底边与溢洪道宽度相同，直角边均与弯道外侧相连，其高度为阶梯高度的1/3。

使用步骤如下：本发明提出的直段泄流的差动式阶梯溢洪道以交错布置，各级阶梯上由于底板的倾斜，横截面上的水位高低不平，沿流动方向形成水面高低交错的水流流态，小流量阶梯溢洪道常见的跌落流态下，由上一级阶梯上的水流跌落至下一级阶梯上，由于上下级阶梯内侧高度的不同，相比传统阶梯溢洪道形成了更大的跌落高度，形成更大的激溅，增大了水流内部的冲击作用，形成更大的掺气和消能效果，大流量时阶梯溢洪道常见的滑行流态下，由水深高度的不同造成在同一截面形成一定的压差，有利于空气从侧墙卷吸进入水中，提高水流的掺气浓度，有利于降低空蚀几率，保证了安全的泄流，滑行水流的主流下面形成的漩滚区由于交错结构增大其区域，水流在区域内漩滚的更加剧烈，更有利于能量的消耗和漩滚掺气，横截面的一定倾斜度也加强了水流的横轴紊动；沿着斜坡流向，增加水流的横向作用，一般而言，弯道水流受到离心惯性力的作用，会出现凹岸水位超高的不良现象，本装置提出的弯段泄流的差动式阶梯溢洪道，通过增加弯曲的阶梯溢洪道，抬高凹岸的底板高程，使其高于凸岸，以平衡弯曲段的离心力，提高弯道的泄流效率，阶梯溢洪道的常见流态下，由于水流兼具横向流速，增加了水流的三维紊动效果，更有利于掺气和消能的发生。

工作流程：对于直段溢洪道，小流量阶梯溢洪道常见的跌落流态下，由上一级阶梯上的水流跌落至下一级阶梯上，由于上下级阶梯内侧高度的不同，相比传统阶梯溢洪道形成了更大的跌落高度，形成更大的激溅，增大了水流内部的冲击作用，形成更大的掺气和消能效果，大流量时阶梯溢洪道常见的滑行流态下，由水深高度的不同造成在同一截面形成一定的压差，有利于空气从侧墙卷吸进入水中，提高水流的掺气浓度，降低空蚀几率，滑行水流的主流下面形成的漩滚区由于交错结构增大其区域，水流在区域内漩滚的更加剧烈，更有利于能量的消耗和漩滚掺气，横截面的一定倾斜度也加强了水流的横轴紊动。

实施例2：

实施例2中，与实施例1相同的部分不再赘述，不同之处是对于弯段泄流的差动式阶梯溢洪道，弯道水流受到离心惯性力的作用，过水断面存在横向水面坡度或者称为横向超高Δh，即凹岸侧水面高，凸岸处水面低，在河流弯道整治规划设计中，要考虑横向超高对弯道两岸堤防高程的影响，通过增加弯曲阶梯溢流段，抬高凹岸的底板高程，使流动更好地沿着弯曲阶梯溢洪道流动。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，由于文字表达的有限性，而客观上存在无限的具体结构，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进、润饰或变化，也可以将上述技术特征以适当的方式进行组合；这些改进润饰、变化或组合，或未经改进将发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均应视为本发明的保护范围。