挑流冲坑内的水流脉动特性及冲刷机理研究
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摘要
挑流消能是水电工程中重要的消能方式之一。挑射水流对岩石河床的冲刷问题，从宏观上看主要是入射水流的冲击能力和河床基岩的抗冲能力两者相互作用的结果。本文从以上两个方面着手，主要对挑流消能冲坑内的水流脉动特性和冲刷机理进行了研究。
针对入射水流的冲击能力，引用斜向淹没冲击射流的研究成果，分析了淹没射流的扩散规律，壁面压强的特征和脉动压强的成因；通过冲坑底部脉动压强的试验研究，运用数理统计和频谱分析方法论述了淹没射流冲坑底部的脉动压强及其分布特性，概化出冲坑内脉动压强载荷的波动表达方式。
针对岩石河床的抗冲能力，探讨了考虑阻力的岩块起动的判别条件。采用Ansys有限元软件的模态分析模块分析了冲坑岩块的振动特性。引入瞬变流模型，探讨了岩缝内脉动压力波的传播规律和脉动上举力的成因，推导了可能最大脉动上举力的计算公式和考虑阻力的岩块振动位移与脉动上举力之间的统计关系式。运用岩块起动的动力方程进行了瞬态动力分析，得到了冲坑岩体在脉动水压力作用时的动应力分布规律，推求出考虑阻力的平衡冲刷深度的预报公式。
本文所取得的研究成果可为水工设计和研究冲刷问题提供参考。
Energy dissipation of ski-jump type is very important in the hydroelectric power engineering. In the macroscopic view, the scouring by jet fluids on the rocky river beds results from the combined action of the impulsive forces of the incident fluids and the scour resistances of the river bedrocks. According to above two sides, the characteristics of pressure fluctuations in the scour pit and the mechanism of scouring by jet fluids are researched in this thesis.
As far as the impulsive forces of the incident fluids are concerned, based on the mainly researching results of the oblique-submerged turbulent impinging jet, the diflusive characteristics for a submerged turbulent impinging jet, the pressure features at the bottom of the scour pit and the cause of generating fluctuating pressures are analysed. According to the model experiments, fluctuating pressures and their distribution at the bottom of the scour pit by submerged turbulent impinging jet are discussed by use of the methods of mathematical statistice and spectrum analysis. The wave equation of the fluctuating pressures at the bottom of the scour pit is generalized.
As far as the scour resistances on the rocky river beds are concerned, the lifting conditions considered resisting forces for rock blocks in the scour pit are investigated. The vibration naturals for rock blocks are obtained through modal analytical module of finite element software-Ansys. By leading-in the model for transient flow, the mechanism of fluctuating pressure transmission in cracks of the bed rock and the cause of generating fluctuating uplift are discussed. A predicting formula for the maximum fluctuating uplift on rock blocks in a scour pool is deduced. A statistical relational expression considered resistance forces about vibration displacement and fluctuating uplift forces of rock blocks is put forward. The regularities of distribution about dynamic stress by fluctuating pressures of the rock masses at the bottom of the scour pit are gained through transient dynamic analysis. The predicting formula considered resistance forces for the limiting scour depth is obtained.
These results in this thesis have reference value for the hydraulic design and the scouring.
针对入射水流的冲击能力，引用斜向淹没冲击射流的研究成果，分析了淹没射流的扩散规律，壁面压强的特征和脉动压强的成因；通过冲坑底部脉动压强的试验研究，运用数理统计和频谱分析方法论述了淹没射流冲坑底部的脉动压强及其分布特性，概化出冲坑内脉动压强载荷的波动表达方式。
针对岩石河床的抗冲能力，探讨了考虑阻力的岩块起动的判别条件。采用Ansys有限元软件的模态分析模块分析了冲坑岩块的振动特性。引入瞬变流模型，探讨了岩缝内脉动压力波的传播规律和脉动上举力的成因，推导了可能最大脉动上举力的计算公式和考虑阻力的岩块振动位移与脉动上举力之间的统计关系式。运用岩块起动的动力方程进行了瞬态动力分析，得到了冲坑岩体在脉动水压力作用时的动应力分布规律，推求出考虑阻力的平衡冲刷深度的预报公式。
本文所取得的研究成果可为水工设计和研究冲刷问题提供参考。
Energy dissipation of ski-jump type is very important in the hydroelectric power engineering. In the macroscopic view, the scouring by jet fluids on the rocky river beds results from the combined action of the impulsive forces of the incident fluids and the scour resistances of the river bedrocks. According to above two sides, the characteristics of pressure fluctuations in the scour pit and the mechanism of scouring by jet fluids are researched in this thesis.
As far as the impulsive forces of the incident fluids are concerned, based on the mainly researching results of the oblique-submerged turbulent impinging jet, the diflusive characteristics for a submerged turbulent impinging jet, the pressure features at the bottom of the scour pit and the cause of generating fluctuating pressures are analysed. According to the model experiments, fluctuating pressures and their distribution at the bottom of the scour pit by submerged turbulent impinging jet are discussed by use of the methods of mathematical statistice and spectrum analysis. The wave equation of the fluctuating pressures at the bottom of the scour pit is generalized.
As far as the scour resistances on the rocky river beds are concerned, the lifting conditions considered resisting forces for rock blocks in the scour pit are investigated. The vibration naturals for rock blocks are obtained through modal analytical module of finite element software-Ansys. By leading-in the model for transient flow, the mechanism of fluctuating pressure transmission in cracks of the bed rock and the cause of generating fluctuating uplift are discussed. A predicting formula for the maximum fluctuating uplift on rock blocks in a scour pool is deduced. A statistical relational expression considered resistance forces about vibration displacement and fluctuating uplift forces of rock blocks is put forward. The regularities of distribution about dynamic stress by fluctuating pressures of the rock masses at the bottom of the scour pit are gained through transient dynamic analysis. The predicting formula considered resistance forces for the limiting scour depth is obtained.
These results in this thesis have reference value for the hydraulic design and the scouring.
引文
1．陈椿庭，关于高坝挑流消能和局部冲刷深度的一个估算公式[J]，北京：水利学报，1963年第2期：
2．陈菊清，岩性河床的挑流冲刷深度计算及验证问题[C]，泄水建筑物消能防冲论文集，北京：水利出版社，1980年：
3. Abramovich, G.N., The theory of turbulent jets[M], 1963;
4. Rajaratnam, N., Turbulent jets[M], Elsevier Sc. Publ. Co., Amsterdam, 1976;
5．余常昭，紊动射流[M]，北京：高等教育出版社，1993年；
6. Rodi, W., Turbulent buoyant jets and plumes[J], Vol.6, 1982;
7. Patankar, S.V.and Spalding, D.B., A calculation procedure for heat, mass and momentum transfer in three-dimensional parabolic flows[J], Int. J. Heat Mass Transfer, 15, 1972;
8. Hartung, Rand Hausler, E., Scours, stilling basins and downstream protection under free overfall jets at dams[J], 11th Congress on Large dams, Madrid, 1973, 39-56;
9．余常昭，射流冲刷作用及分散掺气影响的研究[J]，北京：水利学报，1962年第2期，22-35；
10．冬俊瑞等，长江三峡挑流基岩冲刷研究专题[C]，北京：清华大学水利系，1990年；
11．崔广涛等，关于挑跌流对河床的动水压力及基岩的防护问题[J]，天津：天津大学学报，1982年第2期，23-26；
12．余常昭等，挑射水流对岩石河床冲刷的估算与模拟[C]，泄水建筑物消能防冲论文集，北京：水利出版社，1980年：
13．尤季茨基，跌落水舌在岩基节理块上的动力作用和岩基的破坏条件[J]，长科院编岩基溢流坝的冲刷，1973年；
14．崔广涛、林继镛、梁兴荣，拱坝溢流水舌对河床作用及其影响的研究[J]，北京：水利学报，1985(8)，58-63；
15．毛野，有关基岩冲刷机理的探讨[J]，北京：水利学报，1982(2)，46-54；
16．崔利、张廷芳，射流冲击下护坦板失稳机理的随机分析[J]，上海：水动力学研究与进展，A辑，1992(2)，212-218；
17．刘沛清、冬俊瑞、李永祥，在冲坑底部岩块上脉动上举力的实验研究[J]，北京：水利学报，1995(1)，59-66；
18．刘沛清、李忠义、冬俊瑞，用二维瞬变流方程分析缝面层中脉动压力传播规律[J]，北京：水利学报，1996．4，27-33：
19．赵耀南、梁兴蓉，水流脉动压力沿缝隙的传播规律[J]，天津：天津大学学报，1988年，第2期；
20．李建中、宁利中编著，高速水力学[M]，西安：西北工业大学出版社，1994；
21. Spurr, K.J.W., Energy approach to estimating scour downstream of a large dam[J], Water Power and Dam Construction, July, 1985;
22．王世夏，岩石河床挑流冲刷坑深度公式[J]，南京：河海大学学报，1982年第1期；
23．汪培庄，模糊集合论及其应用[M]，上海：上海科学技术出版社，1983年；
24．毛野，一个估算挑流冲刷深度的模糊数学模型[J]，高速水流，1990年第1期：
25．王木兰、郑管平，挑流冲刷风险分析的蒙特卡罗法[J]，泄水工程与高速水流，1989年第2期；
26．刘沛清、冬俊瑞、余常昭，基岩的抗冲能力及其分类[J]，武汉：长江科学院院报，1996年第13卷第1期，21-24；
27．清华大学水力学教研组编，水力学(1980年修订版)(上册)[M]，北京：人民教育出版社，1980．12；
28．清华大学水力学教研组编，水力学(1980年修订版)(下册)[M]，北京：人民教育出版社，1980．12；
29．窦国仁，紊流力学(上册)[M]，北京：人民教育出版社，1981．11；
30．窦国仁，紊流力学(下册)[M]，北京：人民教育出版社，1981．11；
31．董志勇著，冲击射流[M]，北京：海洋出版社，1997．9；
32．董志勇、吴持恭、杨永全，掺气对射流冲击水垫塘底部脉动压强频谱特性的影响[J]，成都：成都科技大学学报，1994．1：9～13；
33．廖华胜、许唯临、杨永全、吴持恭，多股射流入射水垫塘点面脉动压力特性[J]，成都：四川联合大学学报，1999．1：20～24；
34．崔广涛，关于急流脉动压力振幅取值问题的探讨[C]，高速水流情报网第二界全网大会论文集，1986．10；
35．印勇主编，随机信号分析[M]，北京：中国物资出版社，2000．2；
36．倪汉根、金崇磐著，大坝抗震特性与抗震计算[M]，大连：大连理工大学出版社，1994．12；
37．湖南省桃源县竹园水库大坝除险加固工程技施设计报告，国家电力公司中南勘测设计研究院[C]，2002．9；
38．王沫然编著，MATLAB6.0与科学计算[M]，北京：电子工业出版社，2001．09；
39．张国忠、张丹海主编，大学物理[M]，北京：中国计量出版社，1995．8；
40．刘沛清、冬俊瑞、余常昭，应用随机振动理论分析岩块的起动过程[J]，北京：水利学报，1997．11；
41．刘涛、杨凤鹏主编，李贵敏、张建、王建国参编，精通ANSYS[M]，北京：清华大学出版社，2002；
42．[英]G．B．沃伯顿著，金咸定、戴宗信译，结构的动力性态[M]，北京：地震出版社，1983．4；
43．李东旭编著，高等结构动力学[M]，长沙：国防科技大学出版社，1997．10；
44．刘沛清、冬俊瑞、余常昭，在岩缝中脉动压力传播机理探讨[J]，北京：水利学报，1994．12：31-36．54；
45. Fiorotto, V.and Rinaldo, A., Turbulent pressure fluctuations under hydraulic jumps[J], J.Hydr.Res., IAHR, Vol.30, No.4, 1992;
46. Fiorotto, V.and Rinaldo, A., Fluctuating uplift and lining design in spillway stilling basins[J], J.Hydr.Enging., ASCE, Vol.118, HY4, 1992;
47．张建民、杨永全、王玉蓉、许唯临，水垫塘底板上举力的数值研究[J]，上海：水动力学研究与进展，2003年第1期，63-67：
48．刘沛清、冬俊瑞、余常昭，在冲刷坑底部岩块上的脉动上举力[J]，北京：中国科学，E辑，1998年2月，第28卷第2期，175-182；
49．傅祥炯主编，结构疲劳与断裂[M]，西安：西北工业大学出版社，1994年；
50．[法]J．勒迈特著，倪金刚、陶春虎译，李松年校，损伤力学教程[M]，北京：科学出版社，1992年；
51．何庆芝、郦正能，工程断裂力学[M]，北京：航空航天大学出版社，1993．6；
52．徐一春．三峡溢流坝下游极限冲刷深度的研究[D]，北京：清华大学硕士学位论文，1989年；
53．余常昭等，挑射水流对岩石河床冲刷的估算与模拟[C]，泄水物消能防冲论文集，北京：水利出版社，1980年；
54．饶冠生，岩基挑流冲刷中岩体构造特征的影响和模拟试验问题[C]，泄水建筑物消能防冲论文集，北京：水利出版社，1980年。
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12．余常昭等，挑射水流对岩石河床冲刷的估算与模拟[C]，泄水建筑物消能防冲论文集，北京：水利出版社，1980年：
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17．刘沛清、冬俊瑞、李永祥，在冲坑底部岩块上脉动上举力的实验研究[J]，北京：水利学报，1995(1)，59-66；
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26．刘沛清、冬俊瑞、余常昭，基岩的抗冲能力及其分类[J]，武汉：长江科学院院报，1996年第13卷第1期，21-24；
27．清华大学水力学教研组编，水力学(1980年修订版)(上册)[M]，北京：人民教育出版社，1980．12；
28．清华大学水力学教研组编，水力学(1980年修订版)(下册)[M]，北京：人民教育出版社，1980．12；
29．窦国仁，紊流力学(上册)[M]，北京：人民教育出版社，1981．11；
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34．崔广涛，关于急流脉动压力振幅取值问题的探讨[C]，高速水流情报网第二界全网大会论文集，1986．10；
35．印勇主编，随机信号分析[M]，北京：中国物资出版社，2000．2；
36．倪汉根、金崇磐著，大坝抗震特性与抗震计算[M]，大连：大连理工大学出版社，1994．12；
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38．王沫然编著，MATLAB6.0与科学计算[M]，北京：电子工业出版社，2001．09；
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40．刘沛清、冬俊瑞、余常昭，应用随机振动理论分析岩块的起动过程[J]，北京：水利学报，1997．11；
41．刘涛、杨凤鹏主编，李贵敏、张建、王建国参编，精通ANSYS[M]，北京：清华大学出版社，2002；
42．[英]G．B．沃伯顿著，金咸定、戴宗信译，结构的动力性态[M]，北京：地震出版社，1983．4；
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44．刘沛清、冬俊瑞、余常昭，在岩缝中脉动压力传播机理探讨[J]，北京：水利学报，1994．12：31-36．54；
45. Fiorotto, V.and Rinaldo, A., Turbulent pressure fluctuations under hydraulic jumps[J], J.Hydr.Res., IAHR, Vol.30, No.4, 1992;
46. Fiorotto, V.and Rinaldo, A., Fluctuating uplift and lining design in spillway stilling basins[J], J.Hydr.Enging., ASCE, Vol.118, HY4, 1992;
47．张建民、杨永全、王玉蓉、许唯临，水垫塘底板上举力的数值研究[J]，上海：水动力学研究与进展，2003年第1期，63-67：
48．刘沛清、冬俊瑞、余常昭，在冲刷坑底部岩块上的脉动上举力[J]，北京：中国科学，E辑，1998年2月，第28卷第2期，175-182；
49．傅祥炯主编，结构疲劳与断裂[M]，西安：西北工业大学出版社，1994年；
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53．余常昭等，挑射水流对岩石河床冲刷的估算与模拟[C]，泄水物消能防冲论文集，北京：水利出版社，1980年；
54．饶冠生，岩基挑流冲刷中岩体构造特征的影响和模拟试验问题[C]，泄水建筑物消能防冲论文集，北京：水利出版社，1980年。