高坝消力塘透水底板脉动壁压特性及其相似律研究

摘要

我国水电站多建于高山峡谷地区，在泄洪消能方面具有高水头、大流量、窄河谷的特性。由水头高和泄洪功率大产生的泄洪消能问题十分突出。为消杀巨大的泄洪能量，防止高速水流对下游河床的冲刷，工程中通常在坝趾以下一定距离的河床内用混凝土衬砌，并在适当位置修建二道坝，形成具有一定水深的消力塘，以达到消能防冲的目的。而消力塘底板作为下游河床的防护结构，其自身在高速水流冲击下的稳定性是其关键所在。因此，高坝消力塘防护结构的稳定性问题至今仍是工程水力学的前沿课题之一。为提高防护结构稳定性，研究人员开始考虑更有效的抵抗荷载的方法。即从“主动防护”的观念出发，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，以达到提高防护结构安全稳定性的目的。由于模型相似律是水工模型与原型的换算准则，为解读新型消力塘透水防护结构的工作原理以及荷载特性，首先应开展透水防护结构脉动壁压相似律问题的研究。其次，由于透水防护结构改变了自身原来的结构形式，有可能完全改变脉动荷载的传递方式。因此，应该开展透水防护结构缝隙层中脉动壁压的传播规律的研究，对合理确定新型防护结构的受力与稳定设计具有重要意义。本文以理论分析和模型试验为基础，设计了系列比尺水工模型试验，对比分析了透水防护结构与不透水防护结构脉动壁压幅值、相关及频谱特性及其模型相似律，在此基础上，研究了透水防护结构缝隙层中脉动壁压的传播规律。主要成果包括：
　　 (1)分析了底流消能与冲击射流情况下透水防护结构与不透水防护结构脉动壁压强度、偏差系数、峰度系数以及概率密度函数的沿程分布特征，并研究了系列比尺模型试验中脉动壁压幅值特性的相似律问题。
　　 (2)分析了底流消能与冲击射流情况下透水防护结构与不透水防护结构脉动壁压自相关函数、瞬时空间相关函数和功率谱密度函数，并研究了系列比尺模型试验中脉动壁压相关特性和频谱特性的相似律问题。
　　 (3)对透水防护结构脉动壁压在缝隙内传播规律进行了研究，包括脉动壁压幅值特性、相关特性及频谱特性沿缝隙的传播规律。
　　 综合以上研究发现，底流消能与冲击射流情况下透水防护结构与不透水防护结构脉动壁压符合重力相似律。并且认为底板开孔相当于增加了缝隙宽度。