高拱坝表孔宽尾墩泄流能力及水力特性研究

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1、高拱坝表孔宽尾墩泄流能力及水力特性研究Studyondischargecapacityandhydrauliccharacteristicsofflaringgatepiersofsurfacespillwayinhigharchdam工程领域:水利工程作者姓名:桑林瀚指导教师:练继建教授企业导师:徐宝高工天津大学建筑工程学院2017年12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

2、本研究所做的任何贡献均已在论文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：年月日摘要峡谷区高拱坝普遍具有高水头、大流量的特点，其下泄水流的消能防护成为关键技术难题之一。鉴于高拱坝的泄洪消能特点，坝身泄洪一般采用孔口挑跌

3、流结合水垫塘的消能形式，通过水舌在空中的扩散掺气以及水垫塘内射流的紊动剪切进行消能。随着高坝工程的建设和发展，为了满足不同工程泄洪消能的要求，各种新型的挑流布置形式被提出并应用于实际工程当中，取得了较好的效果。在高拱坝表孔设置宽尾墩可以增强表孔水舌在空中的扩散，提高消能效率。本文以东庄水利工程为依托，对高拱坝表孔应用宽尾墩时的泄流能力以及水力特性进行了研究。主要研究工作如下：（1）通过数值模拟研究了宽尾墩各类体型参数对高拱坝表孔泄流能力的影响以及泄流能力与过堰水流弗劳德数Fr的关系。研究结果表明：表孔泄流能力随着宽尾墩俯角α的减小而减小，随着收缩比ε的减小而减小，随着墩尾折角θ的减小而

4、增大，随着始折点位置与堰顶水平距离x的减小而减小；提出一个表征宽尾墩体型参数与堰上水头的综合影响系数k，当k≥2时，宽尾墩不影响表孔的泄流能力，当k<2时，随着k值的减小，宽尾墩对表孔泄流能力的影响逐渐增大；过堰水流Fr沿程变化曲线在宽尾墩始折点上游存在一个折点，该折点处的Fr越大，宽尾墩对表孔泄流能力的影响越小。（2）通过模型试验研究了高拱坝表孔宽尾墩跌流-深孔挑流消能时下游水垫塘的动水压力特性。水垫塘底板及边坡受表孔水舌冲击的影响，时均压强在表孔射流冲击区出现峰值，并形成较大的压力梯度，校核水位工况下底板最大冲击压强ΔPmax=35.20×9.8kPa。水垫塘的脉动压强同样在表孔水

5、舌冲击区产生峰值，脉动压强的幅值特性、相关特性以及频谱特性与水舌的形态及落点密切相关。（3）提出水舌碰撞与非碰撞两种不同的体型优化方案，以降低水垫塘的冲击压强。非碰撞方案通过延伸表孔的两侧边墙，增强水舌在空中的纵向拉伸，当宽尾墩收缩段延伸至26m时，水垫塘底板的最大冲击压强在设计和校核水位工况下相比原体型分别降低了63.10%和56.82%；碰撞方案通过减小表孔宽尾墩的出口俯角，得到横向扩散为主的表孔水舌，使表深孔水舌在空中发生碰撞，当表孔出口俯角减小至25°时，在设计和校核水位工况下最大冲击压强相比原体型分别降低了41.60%和87.36%。关键词：高拱坝，宽尾墩，泄流能力，数值模拟

6、，水垫塘，冲击压强IABSTRACTHigharchdamslocatedinrivercanyonhavethecharacteristicsofhighwaterheadandlargedischarge.Theenergydissipationprotectionofflooddischargehasbecomeoneofthekeytechnicalproblems.Thetrajectoryjetwithenergydissipationinplungepoolisgenerallyacceptedinflooddischargethroughdam.Theenergyisd

7、issipatedbysprayandaerationofwaternappeandturbulenceinplungepool.Withdevelopmentofhighdamconstruction,aseriesofnewenergydissipatorsofjetflowhavebeenproposedandappliedinprojectseffectively.Applyingflaringgatepierstosurfacespi