消力塘透水底板减压降载机理研究

论文摘要

高坝消力塘作为防护下游河床的结构,其自身在高速水流冲击下的安全性是实现消能和防冲目的的关键所在。近年来,我国拟建和在建的一批具有世界级水平的300m量级高坝,消能问题十分突出。消力塘防护结构的稳定性是当前水工水力学学科的前沿课题之一,也是实际工程所面临的亟待解决的课题。消力塘的防护结构形式主要有两种:梯形复式断面和反拱形。前人研究表明:反拱形水垫塘是高坝泄洪消能工的合理选择。底板开孔对射流冲击区板块上举力减小作用明显。透水底板作为新型消能防冲防护结构,从“主动防护”的观念出发,即通过改变防护衬砌的结构形式,主动降低作用在防护结构上的荷载,达到了提高结构安全稳定性的目的。因此,如何解读透水底板减压降载机理,增加人们对这一问题的理解,也是摆在我们面前需要解决的重要课题。本文以某拱坝消力塘水工模型试验为背景,通过同步测量各种水力参数以及理论分析,对比分析了透水防护结构与不透水防护结构缝隙脉动压力的传播机理以及水动力特性。在此基础上,对透水防护结构减压降载机理进行了研究。主要成果包括:（1）按照脉动压力沿缝隙传播的变化情况将水垫塘透水底板破坏过程分为两个阶段,即瞬变流阶段和板块-水体振荡阶段,分析了两个阶段之间的联系与区别。（2）以透水前后板块下表面缝隙层中的脉动压力为研究对象,对脉动压力传播过程的幅值特性、频域特性和相关特征及脉动尺度进行了分析。（3）透水底板与不透水底板相比,透水底板下表面相应测点脉动压强较不透水底板减小。并且不透水板块下表面脉动压力功率谱密度所代表的能量强度明显高于透水板块。表明当板块下表面脉动压力沿着缝隙向前传递时,遇到透水孔后脉动压力会沿着透水孔传递,使脉动压力得到释放。同时研究表明透水底板上下表面的脉动压力相位差较不透水底板有所减小。而底板上下表面的相位差减小后,上、下表面的动水压差就有可能减小,导致底板整体荷载的较小。（4）不论透水底板与不透水底板,相同的泄流水力条件下,脉动压强系数首先随Lx L （脉动压力空间积分尺度与板块尺寸之比）的增大而增大,在Lx L = 0.73时达到最大值,之后又随着Lx L的增大而减小。本文通过试验测试不同板块尺寸下脉动压强系数和脉动压力空间积分尺度与板块尺寸的关系,从脉动压强的角度验证了板块开孔后相当于缩小了板块有效尺度。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 问题的提出
• 1.2 前人研究成果
• 1.3 本文的研究内容
• 第二章 脉动壁压产生及其沿缝隙传播机理
• 2.1 脉动壁压的成因与机理
• 2.2 缝隙内脉动压强的传播机理
• 2.3 本章小结
• 第三章 透水底板脉动压力及其空间尺度、板块尺寸关系研究
• 3.1 透水底板试验方案
• 3.2 透水底板上、下表面点脉动压强系数
• 3.3 透水底板下表面脉动压强统计参数
• 3.4 透水底板脉动压力时空相关曲线
• 3.5 透水底板脉动压力空间积分尺度
• 3.6 透水底板脉动压力及其空间尺度、板块尺寸关系研究
• 3.7 本章小结
• 第四章 透水底板水动力特性研究
• 4.1 透水底板最大上举力和脉动上举力
• 4.2 透水底板上举力概率分布
• 4.3 透水底板上举力功率谱密度
• 4.4 透水底板最大上举力与脉动上举力关系研究
• 4.5 透水底板减压降载原因讨论
• 4.6 本章小结
• 第五章 结论与展望
• 5.1 本文主要结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 参加科研项目情况说明
• 致谢