异形构造水垫塘底板缝隙水流脉动压力传播特性研究

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1、异形构造水垫塘底板缝隙水流脉动压力传播特性研究ResearchonCharacteristicsofFluctuatingPressureintheGapUndertheFloorofSpecial-ShapedPlungePool学科专业：水利工程研究生：岳颖指导教师：马斌副教授天津大学建筑工程学院二零一四年十一月独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文

2、中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：签字日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解天津大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权天津大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名：导师签名：签字日期：年月日签字日期：年月摘要我国水能可开发量和建设规模均居世界首位。这些工程在泄洪消能的过程中水头高，流量大，故高坝泄洪消能防护安全问题十分突出。为了达到消能和防冲的目的，通常使用混凝土保护高坝下游

3、处的河床，并在高坝下游合适处构筑二道坝，形成消能防冲建筑物的一部分──水垫塘。由于高速水流及其产生的缝隙流的复杂性，高坝消力塘防护结构的安全一直是水利工程安全领域研究的热点问题。其中对防护结构体型进行优化，以达到增加抗失稳能力的目的，是提高泄流结构安全的方法之一。正是基于优化设计出发，相继提出了平底板，反拱形底板，透水底板和带键槽底板等型式。本文提出一种异形结构水垫塘底板，即底板带键槽加透水孔结构型式，以向家坝水垫塘模型试验为背景，基于模型试验结果，利用多种信号处理技术，研究了异形构造底板缝隙处水流脉动压力特性，研究的主要内容及研究成果为：(1)单板块情况下增设键槽对底板脉动压力传播特性的

4、研究。结合向家坝水垫塘物理模型试验成果，分析了向家坝水垫塘底板增设键槽前后对底板上下表面以及垂直缝隙处脉动压力大小、分布规律，以及脉动压力的频域特性和相关特性。结果表明：带键槽底板可能产生的最大脉动上举力要比不带键槽小；增设键槽后下表面空间和时间积分尺度增大，增大了涡旋的持有性，加强了板块间的联系，从紊流角度分析出板块键槽的增设有利于结构的稳定性。(2)止水缝隙宽度对脉动压力传播的影响研究。在保证底板与基岩缝隙不变的情况下，改变板块间的止水缝隙，研究止水缝隙的改变对缝隙内水流脉动压力的影响。结果表明：随着止水缝隙的增大，产生的脉动上举力减小，有利于板块的稳定性；随着止水缝隙的减小，主频向低

5、频移动，优势频带变窄，集中在0.1Hz以下。(3)底板缝隙宽度对脉动压力传播的影响。在保证底板与底板止水缝隙不变的情况下，改变底板与基岩缝隙，研究底板与基岩缝隙的改变对缝隙内水流脉动压力的影响。结果表明：随着缝隙厚度的增大，下表面测点均方差呈减小趋势；下表面测点的时间积分尺度也随之增大，涡旋的持有率增加。(4)异形构造底板稳定性研究。在板块上增设键槽并布置一定开孔率的透水孔，对比分析异形构造水垫塘底板与普通型式平底板水垫塘在高速水流的冲击作用下所受上举力特性等方面的异同点。结果表明：异形构造底板下表面脉动压强系数要小于一般构造底板下表面脉动压强系数。异形构造底板能有效地降低水流1脉动能量，

6、综合了透水底板与带键槽底板的优势，明显提高板块稳定性。关键词：水垫塘底板，异形构造，键槽，模型试验，脉动压力2AbstractTheamountofwaterthatcanbedevelopedandconstructionscaleranksfirstintheworld.Theseprojectsinfloodenergydissipationprocessduetothehighhead,flow,resultinginenergydissipationfloodprotectiondamsafetyproblemisveryprominent.Inordertoachieveene

7、rgydissipationandscourpurposes,mostlydownstreamofthedamwithinacertaindistanceuptheriverwithconcreteprotection,andtheconstructionoftwodamsonthedownstreamchannelinplace,partoftheflooddischargeenergydissipationstruc