，这是造成底板损坏根本原因。此外，冲蚀磨损也可造成水垫塘底板严重破坏，必须予以足够重视。再例如安康水电站，消力池底板结构缝间止水损坏，造成动水渗入及两层混凝土之间结合不良，是抗冲层混凝土脱开重要原因。动水压力反复作用使底板面层厚抗冲层混凝土上抬，在上抬过程中造成裂缝。修复措施为对缝隙采用柔性连接处理。预应力锚筋加固范围为消力池内脉动压力较大部位，防止动水压力通过接缝传至底板背面和适应纵横结构缝温度变形要求。图平底水垫塘另种反拱水垫塘底板以整个拱圈稳定为控制条件,利用拱作用抵抗巨大底板块上举力,提高了防护结构安全性,其稳定性远高于平底水垫塘。万方数据三峡大学硕士学位论文目前国内外己有工程采用反拱水垫塘。例如,西班牙双曲拱坝最早采用了带预应力锚固反拱消力池南非双曲拱坝采用反拱型水垫塘。上世纪八十年代初，我国学者郭怀志等结合中万方数据,万方数据目录绪论问题提出及研究意义研究现状新型水垫塘防冲结构探索研究方法本文研究目和内容本章小结水垫塘水动力特性研究水垫塘内流动特征底板冲击压强理论计算冲刷坑深度计算公式水垫塘水力设计方法水垫塘消能率研究本章小结块体护底水垫塘三维几何模型建立试验简介块体选择数值模拟理论基础新型冲坑型水垫塘几何模型建立本章小结块体护底水垫塘三维数值模拟块体对水垫塘内流场影响块体形状对水垫塘内流场影响块体大小对水垫塘内流场影响本章小结结论与展望主要结论存在问题和展望参考文献后记附录攻读硕士学位期间发表论文与参与科研项目万方数据三峡大学硕士学位论文绪论问题提出及研究意义我国幅员辽阔，河流众多。水能资源总蕴藏量为亿，可开发利用为亿，位居世界首位。随着经济发展，水和电需求逐年递增，科学技术和设计理论提高为水利工程特别是大型水利水电工程发展提供了有利条件。特别是在高拱坝建设领域中,我国已挤身于世界前列。我国近年来兴建和设计中高于高坝,大多数都选择了拱坝型式，例如二滩坝高拉瓦西坝高小湾坝高溪洛渡坝高白鹤滩坝高锦屏级坝高等。建设高坝所需坝工技术涉及面广,非常复杂,而其中消能防冲建筑物是高拱坝枢纽重要组成部分,是保障工程安全和使拱坝枢纽能发挥预期效益关键性建筑物，在高拱坝中大流量消能防冲建筑物重要性尤其突出。对高拱坝进行较好泄洪和消能以及降低水流对下游河道冲刷等,都是水力设计中重点与难点。由于高拱坝在泄洪消能方面具有大流量大泄洪总功率大泄洪单宽流量和狭窄河谷这“三大窄”以及土建投资较高根据己有工程资料统计,高拱坝泄洪消能防冲建筑物造价要占土建工程总造价三分之左右特点。因此高拱坝泄洪消能问题可以说是高拱坝设计中关键技术问题之。表列举了我国部分高坝坝高和泄洪功率。表国内部分高坝泄洪功率比较序号工程名称国家坝高落差流量泄洪功率二滩中国小湾中国构皮滩中国溪洛渡中国拉西瓦中国糯扎渡中国锦屏级中国松塔中国这些大坝大都修建在西部崇山峻岭中，在这里河道狭窄，两岸山体陡峭，适合修建高拱坝。在大江大河峡谷山区兴建高水头大泄量水利枢纽时，由于泄洪区狭窄泄洪功率巨大，给泄洪消能形式选择布置设计带来了相当大难度，是当前筑坝技术关键技术难题。鉴于峡谷区高坝工程泄洪消能特点，以往那些消能型式，例如是底流消能型式，对于高拱坝是很难胜任。这是因为消力池工程造价高，而且在消力池首部区域会因流速过高发生空蚀破坏。而面流和戽流消能型式也因出坎流速过高而难以控制，挑流消能虽然能够挑入坝下较远位置，但是如不对河床进行保护，对河床冲刷是不可避免，所形成冲坑有万方数据三峡大学硕士学位论文危及坝身和坝肩抗力体稳定可能性。如果不对河床加以保护，势必造成严重冲刷，甚至可能引起岸坡坍塌，危及大坝安全，如赞比亚卡里巴拱坝，运行数年后，河床冲刷深度超过,严重威胁大坝安全，以至于不得不进行加固。故对于峡谷区大泄量高拱坝工程，常常挑流式水垫塘消能或者跌流式水垫塘消能，利用“分区泄洪，分散出流，加固河床，设置水垫塘消能”综合治理方式是必要，边能尽量尽量减小下泄水流对河床冲刷，另外可以通过加固消能区河床来提高河道抗冲能力，以保证泄洪时安全可靠。在实际工程中，水垫塘都是利用下游定体积厚度水垫来完成消能防冲目，可是由于对水垫塘内复杂流动认识不足，产生设计不合理，或由于施工缺陷，导致下游冲刷破坏事件时有发生，危害水工建筑物安全。因此进步深入研究水垫塘消能机理，优化水垫塘体型，改进现有水垫塘防冲层结构形式存在不足，提出种新型水垫塘消能防冲方法有重要实用意义。研究现状目前，高拱坝采用水垫塘形式主要分为护岸护底水垫塘和护岸不护底水垫塘两种。早期采用是护岸护底水垫塘。后来随着不断对水垫塘消能机理和冲刷特性认识深入，开始逐渐尝试采用透水底板护岸不护底等些新形式水垫塘。下面对这几种水垫塘国内外研究现状进行论述。护岸护底水垫塘水垫塘护底大多采用钢筋混凝土衬砌硬化底板，主要有两种形式是梯形复式断面水垫塘,简称平底水垫塘,其中部为平底护坦板型式,这种护坦板在设计上遵循重力式板块稳定设计准则,以底板浮升稳定为控制条件。目前这种型式水垫塘获得了较多采用,如二滩拱坝。二是反拱形断面水垫塘,简称反拱水垫塘。这种水垫塘在横断面上,根据峡谷天然河道形状,设计成中部低两岸高拱形体型,用横向布置反拱壳体代替了平底板结构。平底水垫塘平底板块稳定是以个独立底板块升浮作为控制条件。由于各底板块间约束作用较小，水舌作用范围内所有底板块都要满足平衡方程方能使水垫塘底板保持稳定。旦水垫塘中有底板块掀起，则会引起周围其他底板块连锁破坏，导致水流冲刷河床基岩。在底板缝隙止水设施破坏，锚固力失效条件下，足以使底板块拔出座穴。这种破坏形式不是混凝土材料强度或疲劳破坏，而是底板块整体掀出，这种情况底板并未发挥混凝土材料优越抗压性，只是起到隔离水流与河床基岩，防止其冲刷作用。当止水设施破坏且由于施工条件等板块锚固力部分失效时，会出现板块断裂情况。因此如果对底板块上举力大小考虑不够，底板锚固施工不良，那么旦底板缝隙止水设施破坏，底板块迟早要发生失稳破坏。万方数据三峡大学硕士学位论文平底板失稳形式往往是单个板块局部失稳，其破坏过程主要经历三个阶段第阶段为板块间伸缩接缝部分或全部止水破坏。造成主要原因有水流冲击和夹带砂石颗粒和杂物磨损碰撞作用脉动压力长期反复地对止水片交变作用等。第二阶段为脉动压力波通过板块止水破坏接缝处钻入板块底面接缝层中，并沿缝隙层迅速传播开来，导致板块上不断地受到剧烈强大脉动上举力作用。在长期作用下，板块底面缝隙层不断被扩张和贯通，最终导致板块整体或部分和基岩分割开来，其锚筋整体或部分与基岩松动而失去作用。第三阶段为与基岩脱离板块，在水流脉动上举力作用下，其失稳出穴过程是个随机振动过程，板块起动过程特征与板块所受脉动上举力特征密切相关。板块出穴方式主要有浮升和翻转两种，现发现还有部分出穴断裂破坏和劈裂破坏。以五强溪左右消力池破坏为例，通过反馈试验研究表明，在非正常情况下，宽尾墩下射流冲击底板，动水压强值及压强梯度过大，这是造成底板损坏根本原因。此外，冲蚀磨损也可造成水垫塘底板严重破坏，必须予以足够重视。再例如安康水电站，消力池底板结构缝间止水损坏，造成动水渗入及两层混凝土之间结合不良，是抗冲层混凝土脱开重要原因。动水压力反复作用使底板面层厚抗冲层混凝土上抬，在上抬过程中造成裂缝。修复措施为对缝隙采用柔性连接处理。预应力锚筋加固范围为消力池内脉动压力较大部位，防止动水压力通过接缝传至底板背面和适应纵横结构缝温度变形要求。图平底水垫塘另种反拱水垫塘底板以整个拱圈稳定为控制条件,利用拱作用抵抗巨大底板块上举力,提高了防护结构安全性,其稳定性远高于平底水垫塘。万方数据三峡大学硕士学位论文目前国内外己有工程采用反拱水垫塘。例如,西班牙双曲拱坝最早采用了带预应力锚固反拱消力池南非双曲拱坝采用反拱型水垫塘。上世纪八十年代初，我国学者郭怀志等结合中析软件原理与应用,北京清华大学出版社,许唯临,杨永全,邓军水力学数学模型北京科学出版社,戴会超,许唯临,高季章,高坝水力学中紊流数学模型应用与改进Ⅰ水电能源科学,戴会超,许唯临,高季章,高坝水力学中紊流数学模型应用及改进Ⅱ水电能源科学,李志伟静水环境中径向紊动射流数值模拟水利学报刘沛清挑射水流对岩石河床冲刷机理北京高等教育出版社,刘沛清,冬俊瑞,余常昭在基岩缝隙中脉动压力传播机理探讨水力学报刘沛清,李永祥,冬俊瑞,余常昭在冲坑底部岩块上脉动上举力实验研究水利学报,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水利学报,万方数据三峡大学硕士学位论文刘沛清,邓学蓥多级板块缝隙中脉动压力传播过程数值研究水利学报刘沛清论水垫塘或溢洪道底板块下缝隙层中脉动压力传播机理与防护新世纪水利工程科技前沿,天津天津大学出版社李崇智关于高速水流在鼻坎上自由挑射射程问题水利学报宁利中挑流水舌挑距及其影响因素概述水资源与水运学报刘烈宣,张文周空中水舌运动特性研究水力发电学报余挺，邓军等翻卷水舌鼻坎挑流紊流数值模拟水利水电技术刘沛清，高拱坝下游水垫塘底板块稳定性设计水利学报刘沛清,侯建国高坝下游水垫塘混凝土底板块稳定性分析水利学报刘沛清水垫塘底板块运动非平稳随机过程及其影响水动力学研究与进展,辑增刊谭立新,许唯临等泄水水垫塘内单位水体消能率研究水动力学研究与进展肖焕雄,李耀美过水堆石围堰下游边坡护坡块石稳定性研究水利学报丰小玲高拱坝下游水垫塘流场数值模拟,唐洪武,李福田等四面体框架群护岸型式防冲促淤效果试验研究水运工程，郑士元，李彪合金钢网系列柔性块体在水利工程防护中应用浙江水利科技肖斗均，曹桂芳竹骨架铅丝笼装卵石护脚固基效果好四川水利肖焕雄，唐晓阳江河截流中混合粒径群体抛投石块稳定性研究水利学报，万方数据三峡大学硕士学位论文杨火其，王文杰钱塘江河口异型块体抗冲稳定特性试验研究长江科学院院报戴宏钦球体堆积及其堆积结构研究谭阳,蔡娟娟小球堆积模型研究北京广播学院学报自然科学版董麟，叶大年颗粒比重形态与其任意堆积科学通报叶大年球体任意堆积统计几何分析地质科学万方数据三峡大学硕士学位论文后记宁静夜晚，听着时钟嘀哒，感受着春天来到气息，我在键盘上落下了论文最后个句号。伴随着毕业论文完成，自己学生生涯也即将宣告结束。又季桃花在求索溪边绽放，回顾三年在校时光，不禁感慨万分，有些事情仍然历历在目。我相信，这求索溪畔三大学府这短暂而又丰富忙碌和愉悦经历会直在我记忆深处萦绕不断。在此，首先要感谢我导师陈和春教授，陈老师严谨治学态度深厚学术功底平易近人待人风范都是我今后工作和学习榜样。在我为前途担忧迷茫，为论文焦灼困顿时，是陈老师次次无私给予关爱与指导，让我挺过了那些难关。论文从定题到论文写作定稿，都倾注了陈老师大量心血。值此毕业之际，谨向导师表示深深敬意和诚挚谢意，祝恩师身体健康，万事如意，桃李满天下！感谢王继保大师兄，在我毕业论文完成过程中给予耐心指导，在进行数值计算时给了我很大帮助，帮我走过了各个弯路。还要感谢严涛师兄，陈彪师兄