冲击波与收缩式消能工若干问题的研究

论文摘要

随着坝工技术的提高和我国300m以上超高坝水电工程的建设，高水头、大流量、窄河谷的泄洪消能问题日益突出，收缩式消能工的研究得到更多关注。本文在总结前人研究成果的基础上，对Ippen理想冲击波理论进行了修正，对窄缝、宽尾墩等收缩式消能工的水力特性做了较为深入地研究。 首先，本文放弃了Ippen冲击波理论所作的冲击波后动水压力与静水压力相同的假定，研究了水平底坡上渠道边壁突然转折、且转折段长度不大时的冲击波特性，这时波后不再满足静水压力分布假定；引入了动水压力修正系数，建立了相应的控制方程，通过模型试验研究采用实测水深比、波角和控制方程，推算得到动水压力修正系数；研究表明，计及动水压力修正系数后得到的计算结果和实测值相对差的根方差比Ippen理论计算结果的相应根方差小得多。 第二，进行了底坡对冲击波影响的试验，并进行了相应的理论分析，建立了具体的计算方法，计算结果与试验结果基本一致。研究表明，渠道有底坡后，边墙转折引起的冲击波波角不再是常数，而是沿波前逐渐减小；波后的水深也不再是常数，而是沿波前逐渐增大。 第三，以一维非均匀流模式为基础，对一级直线边墙窄缝中的水流特性进行了详细的理论分析和试验研究。给出了任意体型窄缝主要水力参数包括窄缝内水面曲线，水舌下缘挑距，水舌上缘挑角和挑距，窄缝内底板压强，冲击波交会点和最大冲坑深度的计算公式，所给出的理论计算结果与试验结果的差异都在工程设计的许可范围内；给出了一级直线边墙窄缝体形参数包括收缩比，边墙折角，挑坎高度和挑坎的竖向挑角的选择范围。 第四，从理论上给出了宽尾墩后冲击波交汇点上游任意点的水深与流速的计算方法；给出了宽尾墩临界收缩比的理论表达式，并对一些已建工程的临界收缩比与实际采用的收缩比进行了比较。 第五，试验观测了陡槽末端加设分流墩后水流流经分流墩后的水流图案。由于水流流经分流墩时，两侧水体升高形成薄的水墙，这两侧水墙斜交撞击后，大部分水体离散成独立的大小不一的水质团，由于水体的大量离散，大大降低了水体对河床的冲击力，因此在陡槽末端加设分流墩后的冲坑深度远远小于相同工况常规挑流消能形成的冲坑深度。 最后，结合一实际工程，设计了一种兼使水流转向及挑流的消能装置一转向冲击墩，经水工模型试验验证，所建议的转向冲击墩挑流方案具有良好的水力特性，比原设计采

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 急流冲击波
• 1.3 收缩式消能工研究简介
• 1.3.1 窄缝式挑坎
• 1.3.2 宽尾墩
• 1.4 本文的主要研究工作
• 2 Ippen理想冲击波理论的修正
• 2.1 概述
• 2.2 理想冲击波理论
• 2.3 考虑击波后非静水压力分布时冲击波的基本关系
• 2.4 试验装置与试验结果
• 2.4.1 试验装置
• 2.4.2 流态
• 2.4.3 试验结果
• 2.5 参数K与ζ的关系
• 2.6 对比计算
• 2.7 动水压力修正后比值r的近似计算
• 2.8 结论与讨论
• 3 底坡对冲击波的影响
• 3.1 底坡对冲击波影响的理论分析
• 3.2 陡坡上的冲击波试验
• 3.3 陡坡上冲击波试验结果与计算结果的比较
• 3.4 本章结论
• 4 窄缝挑坎的一维水力计算与一级直线边墙窄缝体型参数的选择
• 4.1 概述
• 4.2 窄缝挑坎的水力特性计算
• 4.2.1 窄缝挑坎内水流机械能损失的估计
• 4.2.2 窄缝挑坎中水面曲线的一维近似计算
• 4.2.3 窄缝挑坎的水舌挑距
• 4.2.4 窄缝挑坎内的压强计算
• 4.2.5 收缩段内冲击波交会点的确定
• 4.2.6 窄缝挑坎挑流冲刷坑最大冲刷深度的估计
• 4.3 一级直线边墙窄缝的设计
• 4.3.1 已有的一些经验性意见
• e/B₀）选择范围'>4.3.2 （B_e/B₀）选择范围
• 4.3.3 边墙折角α的选择范围
• e'>4.3.4 窄缝出口竖向挑角Ψ_e
• 4.4 结论
• 4.4.1 任意体形窄缝主要水力参数的计算
• 4.4.2 一级直线边墙窄缝的参数选择
• 5 宽尾墩的水力计算与水力设计
• 5.1 概述
• 5.2 宽尾墩的设计参数
• 5.2.1 宽尾墩的临界收缩比
• 5.2.2 宽尾墩设计参数间的关系
• 5.3 宽尾墩下游水流特性
• 5.4 本章结论
• 6 转向冲击墩的水力计算与模型试验
• 6.1 概述
• 6.2 分流墩的流态
• 6.3 转向冲击墩的试验研究
• 6.3.1 大伙房水库除险加固工程简介
• 6.3.2 第一类研究方案
• 6.3.3 第二类研究方案
• 6.4 转向冲击墩的水力计算
• 6.4.1 转向冲击墩附近流场的平面几何关系
• max'>6.4.2 最大转向角α_max
• 6.4.3 水深比η与β的近似计算
• 6.4.4 冲击墩上的动水压力
• 6.4.5 大伙房水库非常溢洪道末端的转向冲击墩
• 6.4.6 水力计算与模型试验的比较
• 6.5 结论与讨论
• 结论与展望
• 创新点摘要
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 致谢
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