● 摘要
大量研究表明，高坝下游岩石河床的冲刷破坏过程除与射流的冲击特性有关外，还决定于岩石河床的裂隙结构特征。本论文以脉动压力波在岩体复杂裂隙中的传播规律为研究对象，首次将基岩的裂隙结构特性与脉动压力传播规律有机联系起来，对高坝下游岩石河床的冲刷破坏过程展开数值研究。所取得的主要创新成果如下：1.通过对岩石缝隙中脉动压力传播过程的数值模拟与力学分析，深入论述了前人提出的脉动压力传播的渗流模型、振荡流模型、瞬变流模型的力学差别与内在联系，以及它们各自的适应范围。鉴于在射流冲击下，岩石裂隙中的水体总是受到惯性力、阻力、压力和弹性力的共同作用，首次基于瞬变流理论将三个模型有机地联系起来，提出了统一的脉动压力传播模型，解决了长期以来国内外关于物理模型的争议问题。2.引入裂隙网络模拟技术，即蒙特卡洛方法，模拟生成与真实岩体裂隙在统计上完全等效的数值仿真裂隙网络。利用几何图形和关联矩阵数学方法，建立了脉动压力在复杂裂隙网络中传播的模拟方法，并基于脉动压力传播方程的特征差分格式，对复杂裂隙网络中各裂隙线元进行了空间网格离散，编制FORTRAN语言计算程序，实现了脉动压力波在基岩复杂裂隙网络中传播的数值仿真，获得了脉动压力在复杂裂隙网络中的传播过程、统计特征以及脉动压力强度在裂隙网络中的空间分布等结果，从而为研究岩石河床的冲刷问题开辟了新的途径。3.基于岩块逐层冲刷破坏的假定，建立了一种在复杂裂隙网络中逐层搜索孤立岩块的新方法。并利用该方法，逐层分析了复杂裂隙网络中孤立岩块的瞬时受力行为，给出了作用于岩块上的脉动上举力过程和最大瞬时上举力。然后通过对孤立岩块的稳定性分析，实现了岩石河床冲刷坑形成和发展的数值仿真过程，创造性将岩石裂隙特征与岩石冲刷破坏过程建立了有机的联系，取得了突破性进展。4.针对金沙江溪洛渡水电站实际工程地质条件和泄洪运行工况，生成了溪洛渡双曲拱坝下游岩石河床的复杂裂隙网络，数值模拟了坝区河床逐层岩块的瞬时受力行为，实现了冲刷坑形成和发展的可视化、定量化模拟过程，获得了稳定冲刷坑形态和平衡冲刷深度。并通过与前人研究结果的比较，证实了本模拟方法的可靠性。