题目：高拱坝分层多股射流水垫塘流动特性和消能机理研究

峡谷区高坝工程由于河道狭窄、水头高、泄量大，普遍采用挑跌流水垫塘消能型式。通过表深孔水舌空中碰撞，可以明显分散水流，减小对水垫塘底板的冲击压力。但是由于河道狭窄，严重地限制了水舌沿横向扩散的可能性，同时表深孔水舌空中碰撞溅水引起雾化加剧，因而寻求一种既无水舌碰撞又可有效分散水舌的坝身泄洪新型消能布置方案是十分必要的。本文研究具有重要的工程应用价值和理论意义。本论文通过引入表孔宽尾墩-深孔窄缝坎新型消能工，使坝身表深孔射流形成分层多股非碰撞交错入水的格局，利用数值模拟和物理模型试验手段对这种泄洪消能布置方案的流动特性和消能机理进行了详细的研究。所取得的主要创新成果如下：1. 揭示了不同间距和流量比的双层二元射流水垫塘流动结构演变规律和消能机理。针对不同间距和流量比提出四种不同流动特征的水垫塘流态结构，定量给出了动水垫效应对水垫塘底板冲击压力的减小作用及时均动能的衰变规律，优化了双层二元射流的间距和流量比。数值模拟了10种不同间距、5种不同流量比的双层二元射流在水垫塘内的干扰碰撞特性、流动结构的演变过程，建立了水垫塘内不同类型的流动特征与冲击压力之间的定量关系，深入阐述了动水垫效应的作用，给出不同间距和流量比组合下射流时均动能的衰变规律。为高坝工程分层射流入射水垫塘水流参数的优化设计提供理论依据。2. 数值模拟了具有自由面的分层多股射流在反拱型水垫塘内的复杂的三元流动，揭示了分层多股射流之间的相互作用特性、冲击压力变化和消能机理，给出不同区域的消能特征量的定量关系。通过底板冲击压力值的比较，表明三维数值计算与物理模型试验结果基本吻合。通过数值分析进一步发现：七表八深射流进入水垫塘后，在主射流周围，由于流速梯度很大，形成多个强剪切层面，提高了消能率。水垫塘内的紊动能和紊动能耗散率主要集中在主流四周的强剪切层区，因此增加射流的剪切层面面积，可以使消能率显著提高。从水平面紊动能和紊动能耗散率分布图看，紊动能和紊动能耗散率的最大值是在水垫塘内靠近水面的位置，随后沿程递减。3. 通过物理模型试验研究了不同流量比情况下的分层多股射流对水垫塘底板的动水冲击压力特性，建立了表深孔流量比对水垫塘底板的动水冲击压力变化的关系，实验证实了上游水股对下游水股冲击压力确实具有减小的作用，水垫塘内流态稳定，消能充分，证明这种新型消能方案是可行的。在溪洛渡1：100水工整体模型上，表孔采用宽尾墩深孔采用窄缝坎，试验研究了四种不同表、深孔流量比、三种下游水垫深度的情况下的射流水舌对反拱型水垫塘底板的动水冲击压力。证实了这种布置的表深孔联合泄洪可以形成分层多股交错射流格局，避免在空中发生碰撞。并且随着上游表孔射流流量的增加，加强了在反拱型水垫塘内的动水垫作用，使深孔下泄水流对底板的冲击动压得到了明显减小。