專利名稱：全斷面階梯消能工的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用于大單寬流量溢洪道或泄洪洞的階梯消能工。
背景技術：
溢洪道(泄洪洞) 一般具有落差大，泄流量大等特點，對于下游河道寬敞，地質條 件好的工程往往采用挑流消能，而對于山區河道，由于河道狹窄，采用挑流消能出口流 速很大，對下游不利。隨著碾壓混凝土技術的發展，階梯施工更加方便，而且階梯易于 檢修、易于恢復,因此，階梯消能工在溢洪道的應用得到了推廣，但現有溢洪道使用的 階梯消能工均將階梯設置在溢洪道的底板上。研究表明，在溢洪道底板上設置消能工， 消能率隨著階梯高度的增加有所增大，隨著溢洪道單寬流量增大而減小，在大單寬流量 下就不能保證足夠的消能率，因此，在單寬流量大于50 m"s.m的工程中，很少使用階 梯消能工。國內外的工程實例中，大單寬流量溢洪道(泄洪洞)設置的階梯消能工是一 種輔助消能工，必須與其它消能工(如寬尾墩，摻氣分流墩等消能工)配合使用，由其 它消能工先消耗大部分能量，再由階梯消能工消耗小部分能量。
發明內容
本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供一種全斷面階梯消能工，此種消能工 能有效地提高消能率，適合于不同坡度和不同單寬流量的溢洪道或泄洪洞。
本發明所述的全斷面階梯消能工，由設置在溢洪道或泄洪洞底板上的階梯消能工和 設置在溢洪道或泄洪洞兩邊墻上的階梯消能工組成，即在溢洪道或泄洪洞的底板和兩邊
墻上均設置有階梯消能工，其消能機理水流在通過底板上的階梯時，發生水流的跌落、 回旋、剪切作用，水面上的空氣被巻入水體中；邊墻的階梯加劇了水流的紊動，提高了
消能效果，并使水流沿程不斷收縮和擴大，在側面形成空腔，氣流從空腔中進入底部階 梯面上，使得整個斷面的水流充分摻氣，避免了空蝕破壞等不利影響。
為了更好地實現發明目的，本發明所述全斷面階梯消能工的有關幾何參數如下 設置在溢洪道或泄洪洞底板上的階梯消能工的階梯長度Ll是設置在溢洪道或泄洪 洞兩邊墻上的階梯消能工的階梯長度L2的1 3倍。設置在溢洪道或泄洪洞兩邊墻上的 階梯消能工的階梯底面在溢洪道或泄洪洞底板上的投影寬度A ,為0. 1 0. 5m,階梯高度 h2大于水的深度、小于溢洪道或泄洪洞邊墻的高度H。
設置在溢洪道或泄洪洞兩邊墻上的階梯消能工，其階梯可以有多種形狀，本發明優 選三棱柱狀或三棱錐狀或三棱錐臺狀。若階梯為三棱柱狀，所述三棱柱的底面為水平面， 其頂面與溢洪道或泄洪洞的底板平行；若階梯為三棱錐狀，所述三棱錐的底面為水平面; 若階梯為三棱錐臺狀，所述三棱錐臺的底面為水平面，其頂面與溢洪道或泄洪洞的底板 平行。
本發明具有以下有益效果
1、 相對于現有階梯消能工，本發明所述全斷面階梯消能工的消能率大幅度提高， 可作為主要的消能工使用在大單寬流量的溢洪道或泄洪洞中并符合消能要求，為大單寬 流量的溢洪道或泄洪洞提供了一種新型的消能設施。
2、 本發明所述全斷面階梯消能工結構簡單，體型優化容易，可廣泛使用在不同流 量和不同坡度的溢洪道或泄洪洞中。
3、 邊墻階梯可有效對不同水深處水流進行摻氣，使水流摻氣濃度分布均勻，因而 可減輕或避免階梯臺階發生空蝕破壞。
圖l是本發明所述全斷面階梯消能工的第一種結構示意圖，用于溢洪道；
圖2是圖1的俯視圖3是圖1的I一I剖面圖4是圖1中溢洪道兩邊墻上的階梯消能工的階梯形狀圖； 圖5是圖1中的全斷面階梯消能工用于泄洪洞的示意圖； 圖6是圖5的II一II剖視圖； 圖7是圖5的I一I剖面圖8是本發明所述全斷面階梯消能工的第二種結構示意圖，用于溢洪道；
圖9是圖8的俯視圖10是圖8的I — I剖面圖11是圖8中溢洪道兩邊墻上的階梯消能工的階梯形狀圖； 圖12是圖8中的全斷面階梯消能工用于泄洪洞的示意圖13是圖12的n — n剖視圖14是圖12的I一I剖面圖15是本發明所述全斷面階梯消能工的第三種結構示意圖，用于溢洪道；
圖16是圖15的俯視屈； 圖17是圖15的I一I剖面圖18是圖15中溢洪道兩邊墻上的階梯消能工的階梯形狀圖； 圖19是圖15中的全斷面階梯消能工用于泄洪洞的示意圖2o是圖19的n —n剖視圖21是圖19的I一I剖面圖22是本發明所述全斷面階梯消能工的第四種結構示意圖，用于溢洪道；
圖23是圖22的俯視圖24是圖22中的全斷面階梯消能工用于泄洪洞的示意圖； 圖25是圖24的II一II剖視圖26是本發明所述全斷面階梯消能工的第五種結構示意圖，用于溢洪道； 圖27是圖26的俯視圖28是圖26中的全斷面階梯消能工用于泄洪洞的示意圖； 圖29是圖28的II一II剖視圖30是本發明所述全斷面階梯消能工的第六種結構示意圖，用于溢洪道； 圖31是圖30的俯視圖32是圖30中的全斷面階梯消能工用于泄洪洞的示意圖； 圖33是圖32的II一n剖視圖。
圖中，l一溢洪道或泄洪洞的邊墻、2—溢洪道或泄洪洞的底板、3—設置在底板上 的階梯消能工的階梯、4一設置在兩邊墻上的階梯消能工的階梯、"一設置在底板上的 階梯消能工的階梯長度、h,—設置在底板上的階梯消能工的階梯高度、B—溢洪道或泄 洪洞的寬度、H—溢洪道或泄洪洞的邊墻高度、L2—設置在溢洪道或泄洪洞邊墻上的階 梯長度、h2—設置在溢洪道或泄洪洞邊墻上的階梯高度、A !—設置在溢洪道或泄洪洞邊 墻上的階梯底面在溢洪道或泄洪洞底板上的投影寬度、A2—設置在溢洪道或泄洪洞邊 墻上的階梯頂面在溢洪道或泄洪洞底板上的投影寬度、6^溢洪道或泄洪洞的底板坡度。
具體實施例方式
實施例l
本實施例中的全斷面階梯消能工用于電站工程樞紐，電站溢洪道最大工作水頭 140m，最大下泄流量Q=1000m3/s，最大單寬流量q=100m3/s.m，溢洪道寬度B=10m、 邊墻高度H^8m ，底板坡度0為15。。
本實施例中的全斷面階梯消能工，其結構如圖1、圖2、圖3所示，由設置在溢洪 道底板2上的階梯消能工和設置在溢洪道兩邊墻1上的階梯消能工組成。設置在溢洪道 底板2上的階梯消能工的階梯為水平階梯，階梯的斷面為三角形，階梯長度L產7.5m、 階梯高度h產2m。設置在溢洪道兩邊墻1上的階梯消能工的階梯形狀如圖4所示，為三 棱柱狀，所述三棱柱的底面為水平面，其頂面與溢洪道的底板平行，階梯長度L^7.5m、 階梯高度h產6m、階梯底面在溢洪道底板上的投影寬度A 1=0.2m。
試驗測試表明，本實施例中的全斷面消能工的消能率約為80%，能保護階梯臺階表 面，避免發生空蝕破壞。
實施例2
本實施例中的全斷面階梯消能工用于某水電站泄洪洞，泄洪洞最大工作水頭150m， 最大下泄流量(^1500m3/3，最大單寬流量q-150mVs.m，泄洪洞寬度B40m、邊墻高度 H=10m ，底板坡度0為25° 。
本實施例中的全斷面階梯消能工，其結構如圖5、圖6、圖7所示，由設置在泄洪 洞底板2上的階梯消能工和設置在泄洪洞兩邊墻1上的階梯消能工組成。設置在泄洪洞 底板2上的階梯消能工的階梯為水平階梯，階梯的斷面為三角形，階梯長度L產4.3m、 階梯高度h產2.0m。設置在泄洪洞兩邊墻1上的階梯消能工的階梯形狀如圖4所示，為 三棱柱狀，所述三棱柱的底面為水平面，其頂面與泄洪洞的底板平行，階梯長度Lf4.3m、 階梯高度h2=8.0m、階梯底面在泄洪洞底板上的投影寬度A產0.15m。
試驗測試表明，本實施例中的全斷面消能工的消能率約為80%，能保護階梯臺階表 面，避免發生空蝕破壞。
實施例3
本實施例中的全斷面階梯消能工用于電站工程樞紐，電站溢洪道最大工作水頭 140m，最大下泄流量Q=1000m3/s，最大單寬流量q=100m3/s.m，溢洪道寬度B=10m、 邊墻高度H^8m，底板坡度0為15。。
本實施例中的全斷面階梯消能工，其結構如圖8、圖9、圖10所示，由設置在溢洪 道底板2上的階梯消能工和設置在溢洪道兩邊墻1上的階梯消能工組成。設置在溢洪道 底板2上的階梯消能工的階梯為水平階梯，階梯的斷面為三角形，階梯長度L產7.5m、 階梯高度h產2m。設置在溢洪道兩邊墻1上的階梯消能工的階梯形狀如圖11所示，為 三棱錐狀，所述三棱錐的底面為水平面，階梯長度L2=7.5m、階梯高度h2=6.0m、階梯 底面在溢洪道底板上的投影寬度△尸0,2m。
試驗測試表明，本實施例中的全斷面消能工的消能率約為75%，能保護階梯臺階表 面，避免發生空蝕破壞，同時，可以有效改善水面形態。 實施例4
本實施例中的全斷面階梯消能工用于電站工程樞紐，泄洪洞最大工作水頭180m， 最大下泄流量Q-1500m3/3,最大單寬流量q-150m"s.m，泄洪洞寬度B40m、邊墻高度 H=10m ，底板坡度0為25° 。
本實施例中的全斷面階梯消能工，其結構如圖12、圖13、圖14所示，由設置在泄 洪洞底板2上的階梯消能工和設置在泄洪洞兩邊墻1上的階梯消能工組成。設置在泄洪 洞底板2上的階梯消能工的階梯為水平階梯，階梯的斷面為三角形，階梯長度L產4.3m、 階梯高度h產2.0m。設置在泄洪洞兩邊墻1上的階梯消能工的階梯形狀如圖11所示，為 三棱錐狀，所述三棱錐的底面為水平面，階梯長度L2=4.3m、階梯高度h2=8.0m、階梯 底面在泄洪洞底板上的投影寬度A尸0.15m。
試驗測試表明，本實施例中的全斷面消能工的消能率約為80%，能保護階梯臺階表 面，避免發生空蝕破壞。
實施例5
本實施例中的全斷面階梯消能工用于電站工程樞紐，電站溢洪道最大工作水頭 140m，最大下泄流量Q=1000m3/s，最大單寬流量q=100m3/s.m，溢洪道寬度B=10m、 邊墻高度H^8m ，底板坡度6為15。。
本實施例中的全斷面階梯消能工，其結構如圖15、圖16、圖17所示，由設置在溢 洪道底板2上的階梯消能工和設置在溢洪道兩邊墻1上的階梯消能工組成。設置在溢洪 道底板2上的階梯消能工的階梯為水平階梯，階梯的斷面為三角形，階梯長度L產7.5m、 階梯高度h產2m。設置在溢洪道兩邊墻1上的階梯消能工的階梯形狀如圖18所示，為 三棱錐臺狀，所述三棱錐臺的底面為水平面，其頂面與溢洪道的底板平行，階梯長度 L2=7.5m、階梯高度h2=6m、階梯底面在溢洪道底板上的投影寬度A產0.2m、階梯頂面 在溢洪道底板上的投影寬度A 2=0.1m。
試驗測試表明，本實施例中的全斷面消能工的消能率約為82%，能保護階梯臺階表 面，避免發生空蝕破壞。
實施例6
本實施例中的全斷面階梯消能工用于水利工程樞紐，泄洪洞最大工作水頭120m， 最大下泄流量(^1000m3/3，最大單寬流量q=100m3/s.m，泄洪洞寬度B40m、邊墻高度
H = 8.0m ，底板坡度<9為25° 。
本實施例中的全斷面階梯消能工，其結構如圖19、圖20、圖21所示，由設置在泄 洪洞底板2上的階梯消能工和設置在泄洪洞兩邊墻1上的階梯消能工組成。設置在泄洪 洞底板2上的階梯消能工的階梯為水平階梯，階梯的斷面為三角形，階梯長度L尸4.3m、 階梯高度h產2.0m。設置在泄洪洞兩邊墻1上的階梯消能工的階梯形狀如圖18所示，為 三棱錐臺狀，所述三棱錐臺的底面為水平面，其頂面與泄洪洞的底板平行，階梯長度 L2=4.3m、階梯高度h^8.0m、階梯底面在泄洪洞底板上的投影寬度A尸0.2m、階梯頂面 在泄洪洞底板上的投影AfO.lm。
試驗測試表明，本實施例中的全斷面消能工的消能率約為80%，能保護階梯臺階表 面，避免發生空蝕破壞。
實施例7
本實施例中的全斷面階梯消能工用于電站工程樞紐，電站溢洪道最大工作水頭 140m，最大下泄流量Q=1000m3/s，最大單寬流量q=100m3/s.m,溢洪道寬度B=10m、 邊墻高度H^8m ,底板坡度0為15。。
本實施例中的全斷面階梯消能工，其結構如圖22、圖23所示，圖22的I 一 I剖面 如圖3所示，溢洪道兩邊墻1上的階梯消能工的階梯形狀為三棱柱狀，所述三棱柱的底 面為水平面，其頂面與溢洪道的底板平行，如圖4所示。與實施例l不同之處是溢洪 道底板2上的階梯消能工的階梯長度Ll是溢洪道兩邊墻1上的階梯消能工的階梯長度 L2的2倍，即L產7.5m、 L2=3.75m。階梯的其它幾何參數與實施例1相同。
試驗測試表明，本實施例中的全斷面消能工的消能率約為80%，能保護階梯臺，表 面，避免發生空蝕破壞。
實施例8
本實施例中的全斷面階梯消能工用于水利工程，泄洪洞最大工作水頭120m，最大 下泄流量Q=1000m3/s，最大單寬流量q=100m3/s.m，泄洪洞寬度B=10m、邊墻高度H =8m ,底板坡度^為15° 。
本實施例中的全斷面階梯消能工，其結構如圖24、圖25所示，圖24的I _ I剖面 如圖7所示，泄洪洞兩邊墻1上的階梯消能工的階梯形狀為三棱柱狀，所述三棱柱的底 面為水平面，其頂面與泄洪洞的底板平行，如圖4所示。與實施例2不同之處是泄洪 洞底板2上的階梯消能工的階梯長度Ll是泄洪洞兩邊墻1上的階梯消能工的階梯長度 L2的2倍，即L產4.3m、 L2=2.15m。階梯的其它幾何參數與實施例2相同。
試驗測試表明，本實施例中的全斷面消能工的消能率約為75%，能保護階梯臺階表 面，避免發生空蝕破壞。 實施例9
本實施例中的全斷面階梯消能工用于電站工程樞紐，電站溢洪道最大工作水頭 140m，最大下泄流量Q=1000m3/s，最大單寬流量q=100m3/s.m,溢洪道寬度B-10m、 邊墻高度H二8m ，底板坡度^為15° 。
本實施例中的全斷面階梯消能工，其結構如圖26、圖27所示，圖26的I 一 I剖面 如圖10所示，溢洪道兩邊墻1上的階梯消能工的階梯形狀為三棱錐狀，所述三棱錐的 底面為水平面，如圖11所示。與實施例3不同之處是溢洪道底板2上的階梯消能工 的階梯長度Ll是溢洪道兩邊墻1上的階梯消能工的階梯長度L2的2倍，即L,=7.64m、 L2=3.82m。階梯的其它幾何參數與實施例3相同。
試驗測試表明，本實施例中的全斷面消能工的消能率約為80%，能保護階梯臺階表 面，避免發生空蝕破壞。
實施例10
本實施例中的全斷面階梯消能工用于水利工程，泄洪洞最大工作水頭120m，最大 下泄流量Q=1000m3/s，最大單寬流量q=100m3/s.m，泄洪洞寫度B=10m、邊墻高度H =8.0m ，底板坡度0為25° 。
本實施例中的全斷面階梯消能工，其結構如圖28、圖29所示，圖28的I 一 I剖面 如圖14所示，泄洪洞兩邊墻1上的階梯消能工的階梯形狀為三棱錐狀，所述三棱錐的 底面為水平面，如圖11所示。與實施例4不同之處是泄洪洞底板2上的階梯消能工 的階梯長度Ll是泄洪洞兩邊墻1上的階梯消能工的階梯長度L2的2倍，即L「4.3m、 L2=2.15m。階梯的其它幾何參數與實施例4相同。
試驗測試表明，本實施例中的全斷面消能工的消能率約為75%，能保護階梯臺階表 面，避免發生空蝕破壞。
實施例11
本實施例中的全斷面階梯消能工用于電站工程樞紐，電站溢洪道最大工作水頭 140m，最大下泄流量Q=1000m3/s，最大單寬流量q=100m3/s.m，溢洪道寬度B=10m、 邊墻高度H二8m ,底板坡度^為15。。
本實施例中的全斷面階梯消能工，其結構如圖30、圖31所示，圖30的I 一 I剖面 如圖17所示，溢洪道兩邊墻1上的階梯消能工的階梯形狀為三棱錐臺狀，所述三棱錐 臺的底面為水平面，其頂面與溢洪道的底板平行，如圖18所示；與實施例5不同之處 是溢洪道底板2上的階梯消能工的階梯長度Ll是溢洪道兩邊墻1上的階梯消能工的
階梯長度L2的2倍，即L產7.64m、 L2-3.82m。階梯的其它幾何參數與實施例5相同。 試驗測試表明，本實施例中的全斷面消能工的消能率約為78%，在滿足階梯表面有
效摻氣的前提下，降低邊墻高度，減小工程量，同時，能保護階梯臺階表面，避免發生
空蝕破壞。
實施例12
本實施例中的全斷面階梯消能工用于水利工程，泄洪洞最大工作水頭150m，最大 下泄流量Q=1500m3/s，最大單寬流量q=150m3/s.m，泄洪洞寬度B=10m、邊墻高度H =10m ，底板坡度0為15° 。
本實施例中的全斷面階梯消能工，其結構如圖32、圖33所示，圖32的I _ I剖面 如圖21所示，泄洪洞兩邊墻1上的階梯消能工的階梯形狀為三棱錐臺狀，所述三棱錐 臺的底面為水平面，其頂面與泄洪洞的底板平行，如圖18所示；與實施例6不同之處 是泄洪洞底板2上的階梯消能工的階梯長度Ll是泄洪洞兩邊墻1上的階梯消能工的 階梯長度L2的2倍，即L尸7.64m、 L產3.82m。階梯的其它幾何參數與實施例6相同。
試驗測試表明，本實施例中的全斷面消能工的消能率約為80%，階梯表面有效摻氣， 能保護階梯臺階表面，避免發生空蝕破壞。同時，能夠改善水面形態，避免水流直接沖 擊洞頂。
權利要求
1、一種全斷面階梯消能工，包括設置在溢洪道或泄洪洞底板上的階梯消能工，其特征是還包括設置在溢洪道或泄洪洞兩邊墻上的階梯消能工。
2、 根據權利要求1所述的全斷面階梯消能工，其特征是設置在溢洪道或泄洪洞底 板上的階梯消能工的階梯長度Ll是設置在溢洪道或泄洪洞兩邊墻上的階梯消能工的階 梯長度L2的l 3倍。
3、 根據權利要求1或2所述的全斷面階梯消能工，其特征是設置在溢洪道或泄洪 洞兩邊墻上的階梯消能工的階梯底面在溢洪道或泄洪洞底板上的投影寬度A,為0. l 0.5m，階梯高度h2大于水的深度、小于溢洪道或泄洪洞邊墻的高度H。
4、 根據權利要求1或2所述的全斷面階梯消能工，其特征是設置在溢洪道或泄洪 洞兩邊墻上的階梯消能工的階梯為三棱柱狀，所述三棱柱的底面為水平面，其頂面與溢 洪道或泄洪洞的底板平行。
5、 根據權利要求3所述的全斷面階梯消能工，其特征是設置在溢洪道或泄洪洞兩 邊墻上的階梯消能工的階梯為三棱柱狀，所述三棱柱的底面為水平面，其頂面與溢洪道 或泄洪洞的底板平行。
6、 根據權利要求1或2所述的全斷面階梯消能工，其特征是設置在溢洪道或泄洪 洞兩邊墻上的階梯消能工的階梯為三棱錐狀，所述三棱錐的底面為水平面。
7、 根據權利要求3所述的全斷面階梯消能工，其特征是設置在溢洪道或泄洪洞兩 邊墻上的階梯消能工的階梯為三棱錐狀，所述三棱錐的底面為水平面。
8、 據權利要求1或2所述的全斷面階梯消能工，其特征是設置在溢洪道或泄洪洞 兩邊墻上的階梯消能工的階梯為三棱錐臺狀，所述三棱錐臺的底面為水平面，其頂面與 溢洪道或泄洪洞的底板平行。
9、 根據權利要求3所述的全斷面階梯消能工，其特征是設置在溢洪道或泄洪洞兩 邊墻上的階梯消能工的階梯為三棱錐臺狀，所述三棱錐臺的底面為水平面，其頂面與溢 洪道或泄洪洞的底板平行。
全文摘要
一種全斷面階梯消能工，由設置在溢洪道或泄洪洞底板上的階梯消能工和設置在溢洪道或泄洪洞兩邊墻上的階梯消能工組成，即在溢洪道或泄洪洞的底板和兩邊墻上均設置有階梯消能工，其消能機理水流在通過底板上的階梯時，發生水流的跌落、回旋、剪切作用，水面上的空氣被卷入水體中；邊墻的階梯加劇了水流的紊動，提高了消能效果，并使水流沿程不斷收縮和擴大，在側面形成空腔，氣流從空腔中進入底部階梯面上，使得整個斷面的水流充分摻氣，避免了空蝕破壞等不利影響。
文檔編號E02B8/00GK101349048SQ200810045979
公開日2009年1月21日 申請日期2008年9月4日 優先權日2008年9月4日
發明者劉善均, 張建民, 張法星, 曲景學, 李貴吉, 韋 王, 王曾恩, 忠 田, 許唯臨, 軍 鄧, 陳劍剛 申請人:四川大學