脉动压力在消力池底板缝隙传播的瞬变流模型和渗流模型统一性探讨

消力池或水垫塘底板发生揭底破坏的主要原因是由于脉动压力在板块缝隙中传播，可能瞬时生成足以抵抗板块自重的脉动上举力，最终导致板块失稳破坏。本文针对脉动压力的两种传播模型，即瞬变流模型和渗流模型，分析其各自的优劣以及适用性，研究缝隙中脉动压力的传播机理。通过理论分析和数值模拟得出，这两种模型是内在统一的，但各自的适用性不同。瞬变流模型对缝隙严重堵塞情形或水力瞬变情形都适用。而渗流模型仅仅适用于缝隙中严重堵塞的情形。     

缝隙中脉动压力传播模型的进一步探讨

高坝下游冲坑的形成发展以及水垫塘底板块的揭底破坏与河床岩石裂隙、衬砌底板缝隙中脉动压力的传播、叠加作用密切相关。缝隙中脉动压力的传播模型有渗流模型、振荡流模型以及瞬变流模型。理论分析证明:3种模型是从不同的动力分析角度研究脉动压力的传播规律,适用于不同的冲刷阶段,但3种模型从根本上是统一的。渗流模型适用于缝隙堵塞较为严重的情况;当缝隙贯通后,水力瞬变作用显著,产生脉动上举力,应用瞬变流模型进行分析更为合理;而当块体在坐穴中做随机振动时,适用于采用振荡流模型。     

葛洲坝护坦新旧混凝土粘结面水压力分布规律研究

葛洲坝护坦底板修补材料极易被高速水流冲蚀破坏,影响大坝安全稳定运行。根据护坦底板新浇筑材料与旧混凝土粘结面缝隙脉动水压力的分布规律,建立了接触面缝隙脉动压力传播的两个阶段即渗流和瞬变流阶段的数学模型,并对实际工况进行了模拟计算。结果表明,闸室底板粘结面水压力在渗流条件下,沿程各点脉动水压力频率与尾部的原生脉动压力频率保持一致,沿程各点脉动水压力振幅与x/L成正比;在瞬变流条件下,粘结面中部点的脉动水压力由与尾部点原生脉动压力相似的低频脉动和间杂在整个过程中的高频脉动组成;沿程阻力系数对缝隙水压力的影响主要体现在对高频脉动的削弱;渗流条件下其振幅沿程增大,在瞬变流条件下,各点脉动压力振幅沿程分布变化不明显。修补材料粘结面的疲劳破坏属于应力疲劳,修补材料整体揭底冲毁为其中的破坏形式之一,整体揭底破坏与新旧材料之间粘结面疲劳损伤关系密切。     

变缝宽异型构造底板脉动压力特性试验

在水利工程中,水垫塘是大坝的重要安全防护设施之一,在高速水流冲击下,水垫塘的安全与稳定关系到大坝能否正常运行。以某消力塘水工模型试验为背景,结合模型试验结果,对比分析了不同缝隙宽度对底板下表面脉动压力特性的影响。研究表明:在水跃稳定区,带键槽底板下表面的脉动压强系数会随着键槽间的缝隙宽度的增大而增大,带键槽底板概率密度分布图的正态性较好;当键槽缝隙宽度增大时,带键槽底板可能产生的最大脉动上举力有所减小;对于相同测点,键槽缝隙宽度越大,下表面缝隙涡旋的平均尺度和脉动压力空间积分尺度都越大;随着键槽缝隙宽度变小,带键槽底板下表面的脉动能量更加集中于低频。     

水垫塘冲击区掺气浓度对脉动压强作用的试验研究

采用水工模型试验,研究泄流进入水垫塘后在水垫塘底板冲击区内掺气浓度对脉动压强的作用。通过改变掺气量,使水垫塘内水体的掺气浓度发生变化,开展不同的掺气浓度对水垫塘冲击区底板脉动压强影响的研究。结果表明:在保持水垫深度和泄流流量不变的情况下,增加掺气量,水垫塘冲击区同一测点水体掺气浓度值随掺气量的增加而增加。水垫塘冲击区内掺气浓度分布规律为在冲击点处达到最大值,由冲击点向上、下游递减;冲击区底板总动水压强的峰值随掺气量的增加而降低;脉动压强的方差值随掺气量的增加而减小,即脉动变幅减小。脉动压强的概率密度分布为正态分布,分布曲线随掺气量的增加而变陡、变窄,脉动强度系数分布集中,即方差变小,压强峰值减小,脉动强度减小。同一测点脉动压强的频谱分布规律一致,其优势频率集中在低频范围,随掺气量的增加,脉动幅值降低,即脉动压强降低。     

反拱形水垫塘结构在拉西瓦水电站上的研究与应用

通过自行设计的拉西瓦水电站反拱型水垫塘模型,并通过在模型底板上铺设脉动压力传感器和流速传感器的方法,研究了在不同的上下游水位时反拱形水垫塘的动水荷载特性。研究表明:脉动压强的概率密度曲线与正态分布曲线具有相似的变化规律,最大流速发生在水舌冲击点下游的壁射流区,其结果可为反拱形水垫塘的设计与施工提供参考。更多还原     

超短型水垫塘底板块上脉动上举力试验研究

基于瞬变流理论模型，本文在1:110的构皮滩工程超短型水垫塘消能布置的整体模型上，利用测力传感器详细地量测了不同泄流工况下，水垫塘底部不同位置处底板块上的脉动上举力，获得了脉动上举力的统计资料，分析了水垫塘底部不同区底板块的受力特征，为水垫塘底板块的设计与防护提供了科学依据     

白山水电站水垫塘底板块脉动上举力试验研究

在1:35的白山水电站水垫塘消能布置的整体模型上, 利用测力传感器详细地量测了不同泄流工况下, 水垫塘底部不同位置处底板块上的脉动上举力, 获得了脉动上举力的统计资料, 分析了水垫塘底部不同区底板块的受力特征. 模型计算结果与基于瞬变流理论建立的预报公式计算结果十分吻合. 为水垫塘底板块的设计与防护提供了科学依据.     

在岩缝中脉动压力传播机理探讨

高坝下游挑跌水流在基岩缝隙内引起较强的压力动是造成基岩破坏的重要因素，本文根据脉动压力波的瞬变特征，利用瞬变流模型，论述了压力波在缝隙中的传播特性和瞬时上举力的成因，并提出计算可能最大上举力的方法。     

平底水垫塘透水底板下表面脉动压力试验研究

基于模型试验结果,研究了平底水垫塘透水底板下表面的脉动压力特性,分析了不透水底板及透水底板不同开孔率情况下的下表面脉动压力的分布规律、概率特性以及互相关特性和频谱特性。分析结果表明：在水舌冲击区,脉动压强系数随着开孔率的增大而增大;互相关系数随着开孔率的增加而略有减小,其旋涡保持性有所降低;透水底板较不透水底板下表面的脉动能量更加集中于低频。     

用二维瞬变流方程分析缝面层中脉动压力传播规律

本文利用二维瞬变流方程探讨了高坝岩块底 部或水垫塘底板块底部脉动压力波的传播规律，并提出计算可能最大脉动上举力的方法和公式。     

高重力坝防冲建筑物体型参数对水力特性的影响

高重力坝防冲建筑物体型参数的选取决定了泄洪消能水流的水力特性,从而影响水电站的安全运行。采用水工模型试验的方法,研究了防冲建筑物体型参数对水流的水力特性影响规律。研究结果表明：水垫塘长度的减小,使塘内淹没冲击射流的扩散空间减小、冲击区的紊动增强,导致塘内底板时均压强谷值减小、脉动压强均方根峰值增大、底板安全风险增大;二级消力池池长的减小,使出池临底流速增大、下游冲刷风险增大;二道坝高度的降低,导致水垫塘底板沿程时均压强减小、脉动压力均方根峰值增大、底板安全风险增大,同时导致二级消力池内水跃收缩断面水深增加、跃首区临底流速降低、紊动强度降低、脉动压力均方根峰值减小,但出池临底流速增大。     

长潭岗水电站反拱形水垫塘研究及应用

介绍了长潭岗水电站反拱形水垫塘的布置型式和结构构造，用有限元的方法计算了动水荷载作用下的底板应力和位移，通过水工模型试验，测试了底板上的动水压强，本工程已经建成，并埋设了结构和水力学原型观测仪器，长潭岗拱坝反拱形水垫塘的应用研究，可为大型水电站拱坝水垫塘型式选择提供借鉴。     

高土石坝大交角挑流消能水垫塘优化布置

通过如美水电站整体模型试验,从水流流态、水垫深度、动水压力、下游河道流速分布等特性,对比研究了增设二道坝和降低底板高程两类优化方案。结果表明,大交角挑流消能水垫塘下游增设二道坝,其效果与二道坝高度、泄量、河谷宽度等密切相关,会恶化出流与下游河道的衔接;降低水垫塘底板高程对下游衔接影响较小,且可有效增加水垫深度,降低水垫塘临底水力指标。     

肋形溢流坝与挑流水垫塘研究

以某260m高坝的30000m^3／s大泄量挑流水垫塘工程为背景，采用1：100水工模型．使用肋形溢流坝概念研究表、中、底孔消能工的合理形式和配置，大大减轻了挑流水垫塘的负荷，从而充分发挥水垫塘消能和调整流态的作用．同时，采用各种测试手段和方法弄清了挑流水垫塘的工作机理和底板稳定因素，从而提出了底板设计建议以及优化途径．     

高坝联合泄洪消力塘底板上举力分布特性研究

为研究多孔联合泄洪对上举力分布的影响,通过某工程1∶50模型试验对坝后水垫塘底板块上举力大小及分布特性进行了测试,并对多孔联合泄洪和表、深孔单独泄洪时的最大上举力大小和分布进行了比较。经比较分析得出：表深孔联合泄洪情况下表深孔水舌冲击点附近的上举力,与表孔或深孔单独泄洪下相应位置的上举力相比,要明显减小;最大上举力的位置也有所改变,表孔冲击点附近后移,深孔冲击点附近前移。结果表明：表深孔水舌入水后形成大的旋滚相互影响,得不到充分发展,对底板的卷吸作用明显减弱,进而导致相应上举力值明显减小,最大上举力的位置也有所改变。     

高拱坝下游水垫塘体形比选试验研究

水垫塘作为高拱坝泄洪消能的一种重要形式,已经在众多工程中采用。本文分别对水垫塘2类（平底和反拱）3种体形——平底、反拱圆弧底、反拱抛物线底进行了水力特性研究,从水垫塘体形、塘中水舌流态、塘底冲击压强、岸坡落石运动等不同角度分析论证了3种水垫塘的水力学特性。最后得出结论：圆弧底反拱水垫塘优于其它2种形式并推荐工程采用。     

不同入射角浅俯淹没射流水力特性试验研究

该文设计不同入射角的浅俯淹没射流,对水垫塘中轴面二维流场的水力特性开展试验研究,得到了不同入射角的底板动水压强分布规律和淹没射流区及贴壁射流区的最大流速沿程分布,滞点及其最大底板动水压强和最大近底流速与入射角间的关系式。研究结果表明,不同入射角的浅俯淹没射流作用在底板上的动水压强,尤其在冲击区半扩展长度范围,具有相似的分布规律。入射角大于25°时,淹没射流沿入射角直线扩散;入射角小于25°时,淹没射流主体段在下游漩滚挤压作用下向上游偏转,动水压强最大的冲击滞点偏向上游。