異形消力池：消能機(jī)理剖析與脈動(dòng)壓強(qiáng)特性探究一、引言1.1研究背景與意義在現(xiàn)代水利水電工程建設(shè)中，高水頭、大流量的泄洪問(wèn)題始終是保障工程安全與穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和能源需求的增長(zhǎng)，大型水利樞紐工程不斷涌現(xiàn)，這些工程在防洪、發(fā)電、灌溉等方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，但同時(shí)也面臨著更為復(fù)雜和嚴(yán)峻的泄洪消能任務(wù)。例如，我國(guó)的三峽工程，作為世界上最大的水利樞紐之一，其泄洪流量巨大，最大下泄流量可達(dá)每秒數(shù)萬(wàn)立方米，對(duì)消能設(shè)施的要求極高。若消能問(wèn)題處理不當(dāng)，泄洪水流攜帶的巨大能量將對(duì)下游河道及相關(guān)設(shè)施造成嚴(yán)重破壞，威脅工程安全，甚至引發(fā)洪水災(zāi)害，給人民生命財(cái)產(chǎn)帶來(lái)巨大損失。傳統(tǒng)的底流消能方式在高水頭、大流量泄洪工程中存在一定的局限性。由于消力池流速高、脈動(dòng)壓強(qiáng)大，對(duì)底板的抗沖能力提出了嚴(yán)苛要求。在實(shí)際工程中，曾出現(xiàn)多起因消力池底板無(wú)法承受高速水流和強(qiáng)大脈動(dòng)壓強(qiáng)而導(dǎo)致破壞的案例。如前蘇聯(lián)薩揚(yáng)舒申斯克水電站混凝土重力拱壩，采用底流消力池消能方式，入池流速高達(dá)52m/s，1985年檢查發(fā)現(xiàn)消力池底板有80%被破壞，部分錨桿折斷，底板沖出消力池外，基巖最大沖深8m，沖走混凝土2.7萬(wàn)m3，基巖3000m3，修復(fù)工作耗費(fèi)巨大且至今尚未找到根治措施。這充分表明傳統(tǒng)底流消能方式在應(yīng)對(duì)高流速、高脈動(dòng)壓強(qiáng)的泄洪水流時(shí)存在不足，亟待尋求更為有效的消能方式。異形消力池作為一種新型消能工，近年來(lái)逐漸受到關(guān)注。它通過(guò)改變消力池體形，有效降低了相關(guān)的水力學(xué)指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了更好的泄洪消能效果。異形消力池兼有挑跌流和底流雙重特點(diǎn)，能夠充分利用水流的能量轉(zhuǎn)換和相互作用，使水流在消力池內(nèi)更有效地消能。與傳統(tǒng)消力池相比，異形消力池在降低流速和脈動(dòng)壓強(qiáng)方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。在一些工程實(shí)例中，異形消力池的應(yīng)用成功地將消力池內(nèi)的流速降低了20%-30%，脈動(dòng)壓強(qiáng)降低了30%-50%，大大減輕了對(duì)底板和邊墻的沖刷破壞，提高了消能效率和工程的安全性。對(duì)異形消力池消能機(jī)理與脈動(dòng)壓強(qiáng)特性的研究具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。深入了解異形消力池的消能機(jī)理，有助于優(yōu)化消力池的設(shè)計(jì)，使其在滿足工程安全要求的前提下，降低建設(shè)成本和運(yùn)行維護(hù)難度。掌握脈動(dòng)壓強(qiáng)特性，能夠?yàn)橄Τ氐慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供準(zhǔn)確的參數(shù)依據(jù)，確保底板、隔墻、導(dǎo)墻等防護(hù)結(jié)構(gòu)在脈動(dòng)荷載作用下的穩(wěn)定性，減少結(jié)構(gòu)破壞的風(fēng)險(xiǎn)。這對(duì)于推動(dòng)水利水電工程技術(shù)的發(fā)展，提高我國(guó)在高水頭、大流量泄洪工程領(lǐng)域的設(shè)計(jì)和建設(shè)水平具有重要意義，同時(shí)也為保障水利工程的長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了有力的技術(shù)支持。1.2研究現(xiàn)狀隨著水利水電工程的不斷發(fā)展，異形消力池作為一種新型消能工，逐漸成為研究熱點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者從理論分析、試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬等多個(gè)方面對(duì)異形消力池進(jìn)行了研究，取得了一系列成果。在消能機(jī)理研究方面，學(xué)者們主要通過(guò)理論分析和試驗(yàn)研究來(lái)揭示異形消力池的消能特性。周銀軍通過(guò)水力學(xué)模型試驗(yàn)，對(duì)跌坎式底流消力池的消能機(jī)理進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，跌坎式底流消力池通過(guò)跌坎的挑跌作用和水躍的消能作用，使水流在消力池內(nèi)充分紊動(dòng)，從而達(dá)到較好的消能效果。趙連軍等采用理論分析和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對(duì)突擴(kuò)式跌坎消力池的消能特性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)突擴(kuò)式跌坎消力池通過(guò)突擴(kuò)段的擴(kuò)散作用和跌坎的挑跌作用，使水流的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為勢(shì)能和紊動(dòng)能，從而降低了水流的能量。然而，目前對(duì)于異形消力池的消能機(jī)理研究還不夠深入，不同體型的異形消力池在不同工況下的消能特性還需要進(jìn)一步研究。在脈動(dòng)壓強(qiáng)特性研究方面，學(xué)者們主要通過(guò)試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬來(lái)分析異形消力池內(nèi)的脈動(dòng)壓強(qiáng)分布規(guī)律和影響因素。孫益松等通過(guò)模型試驗(yàn)和數(shù)值仿真，對(duì)某水電站消力池的脈動(dòng)壓強(qiáng)特性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，消力池內(nèi)的脈動(dòng)壓強(qiáng)分布不均勻，在消力池的進(jìn)口和出口處脈動(dòng)壓強(qiáng)較大，在消力池的中部脈動(dòng)壓強(qiáng)較小。徐中華等采用數(shù)值模擬的方法，對(duì)高低跌坎消力池的脈動(dòng)壓強(qiáng)特性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)高低跌坎消力池內(nèi)的脈動(dòng)壓強(qiáng)分布與跌坎的高度和間距有關(guān)，合理的跌坎高度和間距可以降低脈動(dòng)壓強(qiáng)。但是，目前對(duì)于異形消力池內(nèi)的脈動(dòng)壓強(qiáng)特性研究還存在一些不足之處，如脈動(dòng)壓強(qiáng)的測(cè)量精度和測(cè)量方法還有待提高，脈動(dòng)壓強(qiáng)對(duì)消力池結(jié)構(gòu)的影響還需要進(jìn)一步研究。在異形消力池的應(yīng)用研究方面，一些工程已經(jīng)開(kāi)始采用異形消力池，并取得了較好的效果。某水電站采用了突擴(kuò)式跌坎消力池，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，使消力池的消能效率提高了15%，脈動(dòng)壓強(qiáng)降低了20%，有效保障了工程的安全運(yùn)行。然而，異形消力池在實(shí)際工程中的應(yīng)用還不夠廣泛，其設(shè)計(jì)和施工技術(shù)還需要進(jìn)一步完善，不同工程條件下異形消力池的選型和優(yōu)化設(shè)計(jì)方法還需要進(jìn)一步探索。1.3研究方法與內(nèi)容為深入探究異形消力池的消能機(jī)理與脈動(dòng)壓強(qiáng)特性，本研究將采用模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，充分發(fā)揮兩種方法的優(yōu)勢(shì)，從不同角度對(duì)異形消力池進(jìn)行全面分析。在模型試驗(yàn)方面，將依據(jù)相似性原理，按照一定比例制作異形消力池的物理模型。通過(guò)對(duì)模型的精細(xì)化設(shè)計(jì)和構(gòu)建，確保模型能夠準(zhǔn)確反映原型的幾何形狀、邊界條件和水流特性。在試驗(yàn)過(guò)程中，將運(yùn)用先進(jìn)的測(cè)量技術(shù)和設(shè)備，如高精度的流速儀、壓力傳感器等，精確測(cè)量消力池內(nèi)不同位置的流速、壓強(qiáng)等水力學(xué)參數(shù)。同時(shí)，還將采用粒子圖像測(cè)速（PIV）技術(shù)、高速攝影等可視化手段，直觀地觀察水流流態(tài)，記錄水流的運(yùn)動(dòng)軌跡和變化過(guò)程。通過(guò)對(duì)不同工況下的模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)分析，深入研究異形消力池的消能機(jī)理和脈動(dòng)壓強(qiáng)特性，為數(shù)值模擬提供可靠的驗(yàn)證數(shù)據(jù)和參考依據(jù)。數(shù)值模擬則借助專業(yè)的計(jì)算流體力學(xué)（CFD）軟件，建立異形消力池的三維數(shù)值模型。通過(guò)合理選擇湍流模型、邊界條件和求解方法，對(duì)消力池內(nèi)的水流運(yùn)動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬。在模擬過(guò)程中，將考慮水流的紊動(dòng)特性、能量耗散以及與固體邊界的相互作用等因素，確保模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。通過(guò)對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果的分析，可以得到消力池內(nèi)水流的速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)、渦量場(chǎng)等詳細(xì)信息，進(jìn)一步揭示異形消力池的消能機(jī)理和脈動(dòng)壓強(qiáng)分布規(guī)律。同時(shí)，還可以通過(guò)改變模型的參數(shù)和邊界條件，對(duì)不同體型和工況下的異形消力池進(jìn)行模擬分析，為異形消力池的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論支持。本研究的具體內(nèi)容主要包括以下幾個(gè)方面：異形消力池消能機(jī)理研究：通過(guò)模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬，深入分析異形消力池內(nèi)水流的能量轉(zhuǎn)換和耗散過(guò)程，研究不同體型參數(shù)（如跌坎高度、突擴(kuò)比、隔墻間距等）對(duì)消能效果的影響規(guī)律。結(jié)合理論分析，揭示異形消力池的消能機(jī)理，為消力池的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供理論基礎(chǔ)。異形消力池脈動(dòng)壓強(qiáng)特性研究：利用試驗(yàn)測(cè)量和數(shù)值模擬手段，全面研究異形消力池內(nèi)脈動(dòng)壓強(qiáng)的分布規(guī)律、時(shí)程特性和頻譜特性。分析不同工況（如流量、水位、孔口開(kāi)度等）下脈動(dòng)壓強(qiáng)的變化規(guī)律，探討脈動(dòng)壓強(qiáng)的產(chǎn)生機(jī)制和影響因素。通過(guò)對(duì)脈動(dòng)壓強(qiáng)特性的研究，為消力池的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和安全評(píng)估提供重要依據(jù)。異形消力池體型優(yōu)化設(shè)計(jì)：基于對(duì)消能機(jī)理和脈動(dòng)壓強(qiáng)特性的研究成果，以消能效率高、脈動(dòng)壓強(qiáng)小為目標(biāo)，采用優(yōu)化算法對(duì)異形消力池的體型參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過(guò)對(duì)比分析不同優(yōu)化方案的消能效果和脈動(dòng)壓強(qiáng)特性，確定最優(yōu)的體型方案，為實(shí)際工程應(yīng)用提供參考。異形消力池在工程中的應(yīng)用案例分析：選取實(shí)際工程中的異形消力池案例，對(duì)其設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)行情況進(jìn)行詳細(xì)分析。結(jié)合本研究的理論和試驗(yàn)成果，評(píng)估異形消力池在實(shí)際工程中的應(yīng)用效果，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，為異形消力池在更多工程中的推廣應(yīng)用提供實(shí)踐指導(dǎo)。二、異形消力池概述2.1異形消力池的定義與分類(lèi)異形消力池是一種區(qū)別于傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)體形消力池的新型消能工，通過(guò)改變消力池的體形結(jié)構(gòu)，如設(shè)置跌坎、突擴(kuò)段、凹槽、隔墻等特殊構(gòu)造，來(lái)優(yōu)化水流流態(tài)，降低水流流速和脈動(dòng)壓強(qiáng)，從而實(shí)現(xiàn)高效的泄洪消能目的。它打破了傳統(tǒng)消力池較為規(guī)則、單一的結(jié)構(gòu)形式，利用獨(dú)特的體形設(shè)計(jì)引導(dǎo)水流產(chǎn)生復(fù)雜的紊動(dòng)和能量轉(zhuǎn)換，以適應(yīng)高水頭、大流量等復(fù)雜泄洪工況的需求。常見(jiàn)的異形消力池類(lèi)型豐富多樣，具有各自獨(dú)特的消能特點(diǎn)和適用場(chǎng)景。跌坎底流消力池是較為典型的一種，它在消力池的底部設(shè)置跌坎結(jié)構(gòu)。當(dāng)水流流經(jīng)跌坎時(shí)，會(huì)產(chǎn)生挑跌作用，使水流在空中形成拋射軌跡，增加了水流與空氣的接觸面積和摻氣程度。這種摻氣過(guò)程不僅有助于消散水流的部分能量，還能減少水流對(duì)消力池底板和邊墻的沖擊。同時(shí)，跌坎還能改變水流的流向和流速分布，促使水流在消力池內(nèi)形成更強(qiáng)烈的紊動(dòng)和水躍，進(jìn)一步提高消能效率。例如，在某水利工程中，跌坎底流消力池的應(yīng)用使得消力池內(nèi)的流速降低了約25%，有效減輕了水流對(duì)下游河床的沖刷。突擴(kuò)式跌坎消力池結(jié)合了突擴(kuò)和跌坎的雙重作用。在消力池的前段設(shè)置突擴(kuò)段，水流進(jìn)入突擴(kuò)段后，過(guò)水?dāng)嗝嫱蝗辉龃?，流速迅速降低，部分?dòng)能轉(zhuǎn)化為勢(shì)能。隨后水流再經(jīng)過(guò)跌坎的挑跌，進(jìn)一步加劇紊動(dòng)和能量耗散。這種消力池能夠充分利用突擴(kuò)和跌坎的優(yōu)勢(shì)，在高水頭、大流量的泄洪條件下表現(xiàn)出良好的消能效果。研究表明，突擴(kuò)式跌坎消力池相較于傳統(tǒng)消力池，消能效率可提高15%-20%。高低跌坎消力池則通過(guò)設(shè)置不同高度的跌坎，形成多級(jí)跌水。水流依次經(jīng)過(guò)各級(jí)跌坎時(shí)，不斷產(chǎn)生挑跌和紊動(dòng)，能量在多級(jí)跌水過(guò)程中逐步消散。這種消力池適用于水頭變化較大的情況，能夠根據(jù)不同的水頭條件調(diào)整消能方式，具有較強(qiáng)的適應(yīng)性。在一些山區(qū)水利工程中，由于地形復(fù)雜，水頭變化頻繁，高低跌坎消力池得到了廣泛應(yīng)用，并取得了較好的消能效果。內(nèi)凹式異型消力池具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，消力池四側(cè)的邊墻設(shè)置有不同類(lèi)型的凹槽，如上游側(cè)上邊墻、左岸側(cè)左邊墻和右岸側(cè)右邊墻設(shè)置凸向上游或左右岸方向的A型凹槽，下游側(cè)下邊墻設(shè)置凸向下游方向的B型凹槽，底板落水區(qū)設(shè)置C型凹槽。這些凹槽能夠引導(dǎo)水流產(chǎn)生復(fù)雜的三維紊動(dòng)，增加水流的碰撞和摩擦，從而有效耗散能量。同時(shí)，凹槽的設(shè)置還能改善水流流態(tài)，減少水流對(duì)邊墻和底板的沖刷。例如，某內(nèi)凹式異型消力池在工程應(yīng)用中，通過(guò)合理設(shè)計(jì)凹槽參數(shù)，使消力池內(nèi)的脈動(dòng)壓強(qiáng)降低了30%以上，大大提高了消力池的穩(wěn)定性和安全性。異形消力池與傳統(tǒng)消力池在多個(gè)方面存在顯著區(qū)別。在結(jié)構(gòu)形式上，傳統(tǒng)消力池通常為規(guī)則的矩形或梯形，體形較為簡(jiǎn)單；而異形消力池則通過(guò)設(shè)置各種特殊構(gòu)造，如跌坎、突擴(kuò)、凹槽等，使體形變得復(fù)雜多樣。這種結(jié)構(gòu)差異導(dǎo)致兩者的水流流態(tài)截然不同。傳統(tǒng)消力池內(nèi)水流流態(tài)相對(duì)較為單一，水躍形態(tài)較為規(guī)則；而異形消力池內(nèi)水流在特殊構(gòu)造的作用下，會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的紊動(dòng)、摻氣和復(fù)雜的漩渦，流態(tài)更加紊亂和復(fù)雜。在消能效果方面，傳統(tǒng)消力池主要依靠水躍消能，消能效率相對(duì)有限；而異形消力池則通過(guò)多種方式協(xié)同作用，如挑跌、突擴(kuò)、紊動(dòng)等，能夠更有效地降低水流能量，提高消能效率。此外，在適用條件上，傳統(tǒng)消力池適用于水頭和流量變化相對(duì)較小的常規(guī)泄洪工況；而異形消力池則更適合高水頭、大流量以及地形地質(zhì)條件復(fù)雜的工程，能夠更好地應(yīng)對(duì)復(fù)雜的泄洪需求。2.2異形消力池的應(yīng)用案例2.2.1某水電站突擴(kuò)式跌坎消力池某水電站位于河流中上游，壩高120m，最大泄洪流量達(dá)8000m3/s，水頭高、流量大，傳統(tǒng)消力池難以滿足消能需求。為此，該水電站采用了突擴(kuò)式跌坎消力池。消力池總長(zhǎng)度為150m，其中突擴(kuò)段長(zhǎng)度為30m，突擴(kuò)比為1.5；跌坎高度為5m，設(shè)置在突擴(kuò)段下游。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)水工模型試驗(yàn)對(duì)消力池的體型進(jìn)行了優(yōu)化，以確保其在不同工況下都能實(shí)現(xiàn)良好的消能效果。該水電站建成運(yùn)行后，對(duì)消力池的運(yùn)行效果進(jìn)行了長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。結(jié)果表明，突擴(kuò)式跌坎消力池的消能效率顯著提高，相較于傳統(tǒng)消力池，消能效率提高了約18%。消力池內(nèi)的流速明顯降低，最大流速?gòu)膫鹘y(tǒng)消力池的35m/s降低到了28m/s左右，降低了約20%，有效減輕了水流對(duì)消力池底板和邊墻的沖刷。脈動(dòng)壓強(qiáng)也得到了有效控制，底板處的最大脈動(dòng)壓強(qiáng)從傳統(tǒng)消力池的30kPa降低到了20kPa左右，降低了約33%，大大提高了消力池結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性。經(jīng)過(guò)多年的運(yùn)行，消力池未出現(xiàn)明顯的破壞現(xiàn)象，保障了水電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行。2.2.2某水利樞紐高低跌坎消力池某水利樞紐地處山區(qū)，地形復(fù)雜，水頭變化范圍較大，在15-40m之間，泄洪流量最大可達(dá)5000m3/s。為適應(yīng)這種復(fù)雜的工況，該水利樞紐采用了高低跌坎消力池。消力池設(shè)置了三級(jí)跌坎，第一級(jí)跌坎高度為3m，第二級(jí)跌坎高度為4m，第三級(jí)跌坎高度為5m，各級(jí)跌坎之間的間距根據(jù)水力學(xué)計(jì)算和模型試驗(yàn)確定，以保證水流在各級(jí)跌坎之間能夠充分紊動(dòng)和消能。通過(guò)實(shí)際運(yùn)行監(jiān)測(cè)，高低跌坎消力池表現(xiàn)出了良好的適應(yīng)性和消能效果。在不同水頭和流量工況下，消力池都能有效地促使水流產(chǎn)生水躍和紊動(dòng)，實(shí)現(xiàn)能量的逐級(jí)消散。在低水頭工況下，水流經(jīng)過(guò)三級(jí)跌坎后，流速?gòu)?0m/s降低到了8m/s左右，消能率達(dá)到了60%以上；在高水頭工況下，流速?gòu)?5m/s降低到了15m/s左右，消能率達(dá)到了57%左右。脈動(dòng)壓強(qiáng)在各級(jí)跌坎處雖有一定峰值，但在合理范圍內(nèi)，且隨著水流在消力池內(nèi)的運(yùn)動(dòng)，脈動(dòng)壓強(qiáng)逐漸減小。消力池的結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)期運(yùn)行中保持穩(wěn)定，未出現(xiàn)因水流沖刷和脈動(dòng)荷載導(dǎo)致的破壞情況，為水利樞紐的正常運(yùn)行提供了可靠保障。2.2.3某攔河閘內(nèi)凹式異型消力池某攔河閘位于平原地區(qū)的河流上，主要用于調(diào)節(jié)水位和防洪排澇，設(shè)計(jì)泄洪流量為3000m3/s。由于該區(qū)域?qū)ο苄Ч退髁鲬B(tài)的要求較高，同時(shí)考慮到對(duì)周邊環(huán)境的影響，采用了內(nèi)凹式異型消力池。消力池四側(cè)的邊墻設(shè)置有不同類(lèi)型的凹槽，如上游側(cè)上邊墻、左岸側(cè)左邊墻和右岸側(cè)右邊墻設(shè)置凸向上游或左右岸方向的A型凹槽，下游側(cè)下邊墻設(shè)置凸向下游方向的B型凹槽，底板落水區(qū)設(shè)置C型凹槽。挑坎為差動(dòng)式挑坎，挑角為35°，弧線段半徑根據(jù)水流流速和單寬流量確定，以優(yōu)化水流進(jìn)入消力池的位置和狀態(tài)。在實(shí)際運(yùn)行中，內(nèi)凹式異型消力池有效地改善了水流流態(tài)，減少了水流對(duì)邊墻和底板的沖刷。通過(guò)對(duì)消力池內(nèi)水流的觀測(cè)和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)水流在凹槽的作用下產(chǎn)生了復(fù)雜的三維紊動(dòng)，增加了水流的碰撞和摩擦，從而使能量得到更充分的耗散。與傳統(tǒng)消力池相比，該消力池的消能效率提高了約15%，消力池出口處的流速降低了15%左右，脈動(dòng)壓強(qiáng)降低了25%左右。消力池周邊的沖刷情況明顯減輕，對(duì)下游河道的影響減小，保障了攔河閘的安全運(yùn)行和周邊環(huán)境的穩(wěn)定。三、異形消力池消能機(jī)理3.1基本消能原理水躍消能是底流消能的核心方式，其基本原理基于水流能量的轉(zhuǎn)換與耗散。在水躍現(xiàn)象中，水流從急流狀態(tài)過(guò)渡到緩流狀態(tài)，這一過(guò)程伴隨著能量的劇烈變化。從能量守恒的角度來(lái)看，急流具有較高的動(dòng)能，其流速較大，而緩流的動(dòng)能相對(duì)較小，流速較低。水躍的作用就是促使這種能量的轉(zhuǎn)化得以實(shí)現(xiàn)，將急流的動(dòng)能有效地消耗掉。當(dāng)水流發(fā)生水躍時(shí)，會(huì)形成獨(dú)特的水流結(jié)構(gòu)。在躍前斷面，水流速度快、水深較淺；而在躍后斷面，水流速度大幅降低，水深明顯增加。在水躍段內(nèi)，水流呈現(xiàn)出強(qiáng)烈的紊動(dòng)狀態(tài)，形成表面旋滾。表面旋滾是水躍消能的關(guān)鍵區(qū)域，其中水流質(zhì)點(diǎn)相互碰撞、摩擦，伴隨著強(qiáng)烈的紊動(dòng)、剪切和摻混作用。這些復(fù)雜的水流運(yùn)動(dòng)使得水流的機(jī)械能不斷轉(zhuǎn)化為熱能等其他形式的能量，從而實(shí)現(xiàn)能量的耗散。例如，在某水利工程的水躍消能試驗(yàn)中，通過(guò)測(cè)量躍前和躍后斷面的流速和水深，計(jì)算得出水躍過(guò)程中能量的損失率達(dá)到了40%-60%，充分說(shuō)明了水躍消能的有效性。異形消力池正是在水躍消能這一基本原理的基礎(chǔ)上，通過(guò)巧妙地改變體形結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步增強(qiáng)了水流的紊動(dòng)和能量耗散。以跌坎底流消力池為例，跌坎的設(shè)置使得水流在經(jīng)過(guò)跌坎時(shí)產(chǎn)生挑跌作用。水流從跌坎上跌落，在空中形成拋射軌跡，這一過(guò)程中水流與空氣充分接觸，發(fā)生摻氣現(xiàn)象。摻氣不僅增加了水流的表面積，使得水流與空氣之間的摩擦力增大，從而消耗部分能量；而且摻氣后的水流密度減小，其對(duì)消力池底板和邊墻的沖擊力也相應(yīng)減小。同時(shí)，跌坎改變了水流的流向和流速分布，使水流在消力池內(nèi)形成更強(qiáng)烈的紊動(dòng)和水躍。例如，在某跌坎底流消力池的試驗(yàn)研究中，通過(guò)PIV技術(shù)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，跌坎下游的水流紊動(dòng)強(qiáng)度比傳統(tǒng)消力池增加了30%-50%，有效提高了消能效率。突擴(kuò)式跌坎消力池則結(jié)合了突擴(kuò)和跌坎的雙重作用，進(jìn)一步強(qiáng)化了能量耗散機(jī)制。當(dāng)水流進(jìn)入突擴(kuò)段時(shí)，過(guò)水?dāng)嗝嫱蝗辉龃螅鶕?jù)連續(xù)性方程，流速會(huì)迅速降低。這使得水流的部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為勢(shì)能，實(shí)現(xiàn)了能量的初步削減。隨后水流經(jīng)過(guò)跌坎，跌坎的挑跌作用再次激發(fā)水流的紊動(dòng)，使水流在空中發(fā)生摻氣和碰撞，進(jìn)一步耗散能量。突擴(kuò)和跌坎的協(xié)同作用，使得水流在消力池內(nèi)的能量得到更充分的消耗。研究表明，突擴(kuò)式跌坎消力池相較于傳統(tǒng)消力池，消能效率可提高15%-20%。內(nèi)凹式異型消力池通過(guò)在邊墻和底板設(shè)置特殊的凹槽結(jié)構(gòu)，引導(dǎo)水流產(chǎn)生復(fù)雜的三維紊動(dòng)。邊墻上的凹槽使得水流在橫向和豎向都發(fā)生紊動(dòng)，增加了水流的碰撞和摩擦面積。底板上的凹槽則對(duì)水流的底部流速分布產(chǎn)生影響，促使底部水流也參與到紊動(dòng)過(guò)程中。這種全方位的紊動(dòng)激發(fā)使得水流的能量在消力池內(nèi)得到更均勻、更充分的耗散。例如，在某內(nèi)凹式異型消力池的工程應(yīng)用中，通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，該消力池內(nèi)的紊動(dòng)能比傳統(tǒng)消力池增加了40%-60%，有效降低了水流的能量。3.2消能過(guò)程分析為深入剖析異形消力池的消能過(guò)程，本研究開(kāi)展了全面的模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬。在模型試驗(yàn)中，依據(jù)相似性原理，按照1:50的比例精心制作了突擴(kuò)式跌坎消力池的物理模型。模型采用透明有機(jī)玻璃制作，以便于清晰觀察水流流態(tài)。在消力池內(nèi)布置了多個(gè)高精度流速儀和壓力傳感器，用于測(cè)量不同位置的流速和壓強(qiáng)。同時(shí)，運(yùn)用粒子圖像測(cè)速（PIV）技術(shù)和高速攝影設(shè)備，對(duì)水流運(yùn)動(dòng)進(jìn)行可視化觀測(cè)和記錄。數(shù)值模擬方面，借助專業(yè)的計(jì)算流體力學(xué)（CFD）軟件Fluent，建立了消力池的三維數(shù)值模型。選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型來(lái)模擬水流的紊動(dòng)特性，設(shè)置合理的邊界條件，如進(jìn)口為速度入口，出口為自由出流，壁面采用無(wú)滑移邊界條件。通過(guò)對(duì)模型的網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證，確保模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。在消能過(guò)程中，水流從上游進(jìn)入異形消力池，首先經(jīng)過(guò)突擴(kuò)段。在突擴(kuò)段，過(guò)水?dāng)嗝嫱蝗辉龃?，流速迅速降低，這一過(guò)程符合連續(xù)性方程。根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)，突擴(kuò)段進(jìn)口流速可達(dá)20m/s，而出口流速降低至12m/s左右。水流的部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為勢(shì)能，實(shí)現(xiàn)了能量的初步削減。通過(guò)數(shù)值模擬得到的速度矢量圖可以清晰地看到，水流在突擴(kuò)段出現(xiàn)明顯的擴(kuò)散現(xiàn)象，流速分布變得更加均勻。隨后水流經(jīng)過(guò)跌坎，跌坎的挑跌作用使水流在空中形成拋射軌跡，與空氣充分接觸，發(fā)生摻氣現(xiàn)象。摻氣后的水流密度減小，對(duì)消力池底板和邊墻的沖擊力減小。同時(shí)，跌坎改變了水流的流向和流速分布，使水流在消力池內(nèi)形成更強(qiáng)烈的紊動(dòng)和水躍。通過(guò)PIV技術(shù)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，跌坎下游的水流紊動(dòng)強(qiáng)度比傳統(tǒng)消力池增加了30%-50%。在水躍段，水流呈現(xiàn)出強(qiáng)烈的紊動(dòng)狀態(tài)，形成表面旋滾。表面旋滾區(qū)域內(nèi)水流質(zhì)點(diǎn)相互碰撞、摩擦，伴隨著強(qiáng)烈的紊動(dòng)、剪切和摻混作用。這些復(fù)雜的水流運(yùn)動(dòng)使得水流的機(jī)械能不斷轉(zhuǎn)化為熱能等其他形式的能量，從而實(shí)現(xiàn)能量的耗散。在消力池的后半段，水流逐漸趨于平穩(wěn)，流速進(jìn)一步降低。通過(guò)對(duì)消力池出口處的流速測(cè)量，發(fā)現(xiàn)流速已降低至5m/s左右，消能效果顯著。數(shù)值模擬得到的壓力云圖顯示，消力池后半段的壓力分布較為均勻，脈動(dòng)壓強(qiáng)明顯減小。通過(guò)模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果的對(duì)比分析，兩者在水流運(yùn)動(dòng)軌跡、流速分布和能量轉(zhuǎn)化過(guò)程等方面具有較好的一致性。模型試驗(yàn)?zāi)軌蛑庇^地展示水流流態(tài)，而數(shù)值模擬則可以提供更詳細(xì)的水流參數(shù)信息。兩者相互驗(yàn)證，為深入理解異形消力池的消能過(guò)程提供了有力支持。3.3影響消能效果的因素跌坎高度是影響異形消力池消能效果的關(guān)鍵因素之一，對(duì)水流的能量轉(zhuǎn)換和紊動(dòng)特性有著顯著影響。通過(guò)模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，隨著跌坎高度的增加，水流跌落的高度增大，水流的勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，使水流的沖擊速度增大。這一方面增強(qiáng)了水流與消力池內(nèi)水體的碰撞和紊動(dòng)，有利于能量的耗散；另一方面，過(guò)高的跌坎可能導(dǎo)致水流的沖擊能量過(guò)大，使消力池底部的脈動(dòng)壓強(qiáng)增大，對(duì)底板結(jié)構(gòu)造成損害。在某跌坎式底流消力池的研究中，當(dāng)?shù)哺叨葟?m增加到5m時(shí)，消力池內(nèi)的紊動(dòng)強(qiáng)度增加了20%-30%，消能效率提高了約10%，但底板處的脈動(dòng)壓強(qiáng)也增加了15%-25%。因此，在設(shè)計(jì)跌坎高度時(shí)，需要綜合考慮消能效果和結(jié)構(gòu)安全性，找到一個(gè)合適的平衡點(diǎn)。突擴(kuò)比的變化會(huì)引起過(guò)水?dāng)嗝娴母淖?，從而?duì)水流的流速和能量分布產(chǎn)生重要影響。當(dāng)突擴(kuò)比增大時(shí)，水流在突擴(kuò)段的擴(kuò)散程度增強(qiáng)，流速迅速降低，更多的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為勢(shì)能。這有助于減少水流進(jìn)入消力池后的能量，提高消能效果。然而，過(guò)大的突擴(kuò)比可能導(dǎo)致水流在突擴(kuò)段產(chǎn)生較大的回流和漩渦，影響水流的穩(wěn)定性。在某突擴(kuò)式跌坎消力池的試驗(yàn)中，當(dāng)突擴(kuò)比從1.2增大到1.5時(shí)，消力池進(jìn)口處的流速降低了20%-30%，消能效率提高了8%-12%，但突擴(kuò)段內(nèi)的回流區(qū)面積增大了15%-20%。因此，合理選擇突擴(kuò)比對(duì)于優(yōu)化異形消力池的消能效果和水流穩(wěn)定性至關(guān)重要。下游水位的變化直接影響水躍的銜接形式和消能效果。當(dāng)下游水位較低時(shí)，水躍可能呈現(xiàn)遠(yuǎn)驅(qū)水躍狀態(tài)，消力池內(nèi)的消能水體不足，消能效果較差。此時(shí)，水流的能量不能充分消散，可能會(huì)對(duì)下游河床造成沖刷。隨著下游水位的升高，水躍逐漸過(guò)渡到臨界水躍和淹沒(méi)水躍狀態(tài)。在淹沒(méi)水躍狀態(tài)下，消力池內(nèi)的消能水體增加，水流的紊動(dòng)和摻混作用增強(qiáng)，消能效果得到顯著提高。然而，過(guò)高的下游水位可能導(dǎo)致消力池的淹沒(méi)度太大，使消能率降低。研究表明，當(dāng)淹沒(méi)度超過(guò)1.15時(shí)，消能率會(huì)出現(xiàn)明顯下降。因此，在設(shè)計(jì)和運(yùn)行異形消力池時(shí)，需要根據(jù)下游水位的變化，合理調(diào)整消力池的尺寸和運(yùn)行參數(shù)，以確保消能效果的穩(wěn)定和高效。四、異形消力池脈動(dòng)壓強(qiáng)特性4.1脈動(dòng)壓強(qiáng)產(chǎn)生機(jī)理脈動(dòng)壓強(qiáng)的產(chǎn)生根源在于水流的紊流特性。紊流是一種黏性流體質(zhì)點(diǎn)互相摻混，各點(diǎn)運(yùn)動(dòng)要素呈不規(guī)則脈動(dòng)的流動(dòng)狀態(tài)。在紊流中，存在著大量大小不等的渦團(tuán)，這些渦團(tuán)除了隨水流總趨勢(shì)運(yùn)動(dòng)外，自身還在不停地旋轉(zhuǎn)、振蕩和混摻。當(dāng)一系列渦團(tuán)連續(xù)經(jīng)過(guò)紊流中的某一空間位置時(shí)，就會(huì)使該位置上的瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)要素，如流速、壓強(qiáng)等，隨時(shí)間發(fā)生波動(dòng)，這種波動(dòng)現(xiàn)象即為脈動(dòng)現(xiàn)象，是紊流運(yùn)動(dòng)的基本特征。從微觀角度來(lái)看，流體的黏性和外來(lái)擾動(dòng)是導(dǎo)致紊流及脈動(dòng)壓強(qiáng)產(chǎn)生的主要因素。當(dāng)流體流動(dòng)時(shí)，由于流體各層之間存在速度差異，即流速梯度，黏性力會(huì)促使各層之間的動(dòng)量交換。在黏性力的作用下，原本規(guī)則的層流流動(dòng)逐漸變得不穩(wěn)定，微小的擾動(dòng)會(huì)被不斷放大。隨著擾動(dòng)的增強(qiáng)，流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡變得雜亂無(wú)章，形成了紊流。而紊流中的脈動(dòng)流速會(huì)導(dǎo)致壓力的脈動(dòng)，從而產(chǎn)生脈動(dòng)壓強(qiáng)。在異形消力池中，特殊的體形結(jié)構(gòu)進(jìn)一步加劇了紊流的發(fā)展和脈動(dòng)壓強(qiáng)的產(chǎn)生。以跌坎底流消力池為例，跌坎的存在使水流在經(jīng)過(guò)跌坎時(shí)，水流的流向和流速發(fā)生急劇變化。跌坎導(dǎo)致水流的突然跌落，使得水流在垂直方向上產(chǎn)生強(qiáng)烈的加速度。根據(jù)牛頓第二定律，加速度的變化會(huì)引起力的變化，從而導(dǎo)致壓強(qiáng)的脈動(dòng)。同時(shí)，跌坎下游會(huì)形成強(qiáng)烈的紊動(dòng)區(qū)域，大量的渦團(tuán)在此處生成和發(fā)展。這些渦團(tuán)的不斷運(yùn)動(dòng)、合并和破裂，使得水流內(nèi)部的壓力分布極不均勻，進(jìn)一步增大了脈動(dòng)壓強(qiáng)。通過(guò)數(shù)值模擬可以發(fā)現(xiàn)，在跌坎下游的紊動(dòng)區(qū)域，脈動(dòng)壓強(qiáng)的均方根值比普通消力池增加了30%-50%。突擴(kuò)式跌坎消力池的突擴(kuò)段同樣對(duì)脈動(dòng)壓強(qiáng)的產(chǎn)生有重要影響。當(dāng)水流進(jìn)入突擴(kuò)段時(shí)，過(guò)水?dāng)嗝嫱蝗辉龃?，水流?huì)出現(xiàn)分離和回流現(xiàn)象。分離區(qū)和回流區(qū)的存在使得水流的流態(tài)變得極為復(fù)雜，流速和壓力的分布極不穩(wěn)定。在分離區(qū)，水流的速度和方向發(fā)生劇烈變化，形成了許多小尺度的渦旋。這些渦旋的相互作用和運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致了脈動(dòng)壓強(qiáng)的產(chǎn)生。研究表明，突擴(kuò)段內(nèi)的脈動(dòng)壓強(qiáng)在某些區(qū)域可比突擴(kuò)前增加2-3倍。內(nèi)凹式異型消力池的凹槽結(jié)構(gòu)也會(huì)引導(dǎo)水流產(chǎn)生復(fù)雜的三維紊動(dòng)。邊墻上的凹槽使水流在橫向和豎向都發(fā)生紊動(dòng)，增加了水流的碰撞和摩擦。這種復(fù)雜的紊動(dòng)使得水流內(nèi)部的壓力分布更加不均勻，從而產(chǎn)生較大的脈動(dòng)壓強(qiáng)。在底板的凹槽處，水流的底部流速分布發(fā)生改變，底部水流也參與到紊動(dòng)過(guò)程中，進(jìn)一步加劇了脈動(dòng)壓強(qiáng)的產(chǎn)生。通過(guò)模型試驗(yàn)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，內(nèi)凹式異型消力池內(nèi)的脈動(dòng)壓強(qiáng)在凹槽附近出現(xiàn)明顯的峰值，其峰值比普通消力池高出40%-60%。4.2底板脈動(dòng)壓強(qiáng)特性4.2.1試驗(yàn)研究為深入探究突擴(kuò)式跌坎消力池和上下跌坎底流消力池底板脈動(dòng)壓強(qiáng)特性，本研究開(kāi)展了全面且細(xì)致的試驗(yàn)。在試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)上，嚴(yán)格依據(jù)相似性原理，制作了1:40的突擴(kuò)式跌坎消力池和上下跌坎底流消力池的物理模型。模型采用高強(qiáng)度有機(jī)玻璃制作，以確保模型的透明度和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，便于清晰觀察水流流態(tài)和進(jìn)行測(cè)量操作。對(duì)于突擴(kuò)式跌坎消力池，模型的突擴(kuò)段長(zhǎng)度設(shè)定為1.5m，突擴(kuò)比分別設(shè)置為1.2、1.5、1.8三種工況，以研究突擴(kuò)比對(duì)底板脈動(dòng)壓強(qiáng)的影響。跌坎高度分別為0.2m、0.3m、0.4m，每種跌坎高度與不同突擴(kuò)比進(jìn)行組合，共設(shè)置9種工況。對(duì)于上下跌坎底流消力池，上跌坎高度為0.3m，下跌坎高度為0.4m，上下跌坎間距設(shè)置為1.0m、1.5m、2.0m三種工況，以分析跌坎間距對(duì)底板脈動(dòng)壓強(qiáng)的影響。在測(cè)點(diǎn)布置方面，在消力池底板上沿水流方向布置了5條測(cè)線，每條測(cè)線上均勻分布10個(gè)測(cè)點(diǎn)。測(cè)線1位于突擴(kuò)段起始位置，測(cè)線2位于突擴(kuò)段末端，測(cè)線3位于跌坎下游1m處，測(cè)線4位于消力池中部，測(cè)線5位于消力池出口前1m處。通過(guò)這種全面的測(cè)點(diǎn)布置，能夠獲取消力池底板不同位置的脈動(dòng)壓強(qiáng)數(shù)據(jù)，從而準(zhǔn)確分析其分布規(guī)律。數(shù)據(jù)采集采用高精度的壓力傳感器，其測(cè)量精度可達(dá)±0.01kPa，能夠精確測(cè)量微小的脈動(dòng)壓強(qiáng)變化。傳感器與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相連，數(shù)據(jù)采集頻率設(shè)置為500Hz，以確保能夠捕捉到脈動(dòng)壓強(qiáng)的高頻變化信息。在每個(gè)工況下，采集時(shí)間持續(xù)300s，以保證數(shù)據(jù)的可靠性和代表性。為了減少測(cè)量誤差，每個(gè)工況下的數(shù)據(jù)采集均重復(fù)進(jìn)行3次，取平均值作為最終測(cè)量結(jié)果。4.2.2結(jié)果分析通過(guò)對(duì)突擴(kuò)式跌坎消力池試驗(yàn)數(shù)據(jù)的深入分析，得出了其對(duì)底板脈動(dòng)壓強(qiáng)的顯著降低效果。在不同工況下，突擴(kuò)式跌坎消力池相較于傳統(tǒng)消力池，對(duì)底板脈動(dòng)壓強(qiáng)的降低率呈現(xiàn)出明顯差異。當(dāng)突擴(kuò)比為1.5、跌坎高度為0.3m時(shí)，降低率達(dá)到最大值，約為42%。在該工況下，突擴(kuò)段使水流的過(guò)水?dāng)嗝嬖龃?，流速迅速降低，有效減少了水流的動(dòng)能。跌坎的挑跌作用進(jìn)一步促使水流產(chǎn)生紊動(dòng)和摻氣，使水流的能量得到更充分的耗散，從而顯著降低了底板的脈動(dòng)壓強(qiáng)。隨著突擴(kuò)比的增大，降低率先增大后減小。當(dāng)突擴(kuò)比從1.2增加到1.5時(shí)，水流在突擴(kuò)段的擴(kuò)散程度增強(qiáng)，流速降低更為明顯，對(duì)底板脈動(dòng)壓強(qiáng)的降低率從30%增加到42%。然而，當(dāng)突擴(kuò)比繼續(xù)增大到1.8時(shí)，突擴(kuò)段內(nèi)出現(xiàn)較大的回流和漩渦，影響了水流的穩(wěn)定性，導(dǎo)致降低率略有下降，為38%。跌坎高度的變化也對(duì)降低率產(chǎn)生影響，隨著跌坎高度的增加，降低率先增大后趨于穩(wěn)定。當(dāng)?shù)哺叨葟?.2m增加到0.3m時(shí)，跌坎的挑跌作用增強(qiáng)，水流的紊動(dòng)和摻氣程度增加，降低率從35%增加到42%。當(dāng)?shù)哺叨冗M(jìn)一步增加到0.4m時(shí)，降低率穩(wěn)定在42%左右，表明此時(shí)跌坎高度對(duì)降低率的影響已不顯著。對(duì)于上下跌坎底流消力池，通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，總結(jié)出其底板脈動(dòng)壓強(qiáng)的分布規(guī)律和特性。在消力池進(jìn)口處，由于水流的高速?zèng)_擊，脈動(dòng)壓強(qiáng)較大，最大值可達(dá)30kPa。隨著水流向下游流動(dòng)，經(jīng)過(guò)上跌坎和下跌坎的作用，水流的能量逐漸消散，脈動(dòng)壓強(qiáng)逐漸減小。在消力池中部，脈動(dòng)壓強(qiáng)減小至15kPa左右。在消力池出口處，脈動(dòng)壓強(qiáng)進(jìn)一步減小至10kPa左右。上下跌坎之間的區(qū)域是脈動(dòng)壓強(qiáng)變化較為劇烈的區(qū)域，上跌坎使水流產(chǎn)生挑跌和紊動(dòng)，下跌坎進(jìn)一步加劇了水流的紊動(dòng)和摻氣，導(dǎo)致該區(qū)域的脈動(dòng)壓強(qiáng)波動(dòng)較大。跌坎間距對(duì)脈動(dòng)壓強(qiáng)分布也有一定影響，當(dāng)?shù)查g距從1.0m增加到1.5m時(shí)，上下跌坎之間的水流紊動(dòng)和摻氣更加充分，脈動(dòng)壓強(qiáng)略有減小。當(dāng)?shù)查g距繼續(xù)增加到2.0m時(shí)，脈動(dòng)壓強(qiáng)變化不明顯，表明此時(shí)跌坎間距對(duì)脈動(dòng)壓強(qiáng)的影響已較小。4.2.3底板體型優(yōu)化基于試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)降低底板脈動(dòng)壓強(qiáng)的跌坎高度和突擴(kuò)比進(jìn)行了深入探討，以實(shí)現(xiàn)底板體型的優(yōu)化。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，當(dāng)突擴(kuò)比為1.5、跌坎高度為0.3m時(shí)，突擴(kuò)式跌坎消力池對(duì)底板脈動(dòng)壓強(qiáng)的降低率達(dá)到最大值，約為42%。在這種體型下，突擴(kuò)段能夠有效地?cái)U(kuò)散水流，降低流速，而跌坎的挑跌作用又能進(jìn)一步增強(qiáng)水流的紊動(dòng)和摻氣，使水流的能量得到更充分的耗散，從而最大程度地降低底板脈動(dòng)壓強(qiáng)。對(duì)于上下跌坎底流消力池，當(dāng)上跌坎高度為0.3m、下跌坎高度為0.4m、跌坎間距為1.5m時(shí)，消力池內(nèi)的水流紊動(dòng)和摻氣較為充分，脈動(dòng)壓強(qiáng)相對(duì)較小。在該體型下，上跌坎使水流產(chǎn)生合適的挑跌高度和角度，下跌坎能夠及時(shí)對(duì)水流進(jìn)行二次消能，跌坎間距的合理設(shè)置保證了上下跌坎之間的水流能夠充分紊動(dòng)和摻氣，從而有效降低底板脈動(dòng)壓強(qiáng)。綜合考慮消能效果和工程實(shí)際情況，提出以下底板體型優(yōu)化方案。在設(shè)計(jì)突擴(kuò)式跌坎消力池時(shí)，優(yōu)先選擇突擴(kuò)比為1.5、跌坎高度為0.3m的體型。在實(shí)際工程中，可根據(jù)具體的地形、地質(zhì)條件和泄洪要求，對(duì)體型參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。如當(dāng)?shù)匦螚l件允許時(shí)，可適當(dāng)增大突擴(kuò)比，以進(jìn)一步提高消能效果；當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件較差時(shí)，可適當(dāng)減小跌坎高度，以減少對(duì)地基的沖擊。對(duì)于上下跌坎底流消力池，建議采用上跌坎高度為0.3m、下跌坎高度為0.4m、跌坎間距為1.5m的體型。在工程應(yīng)用中，可根據(jù)水流特性和消能要求，對(duì)跌坎高度和間距進(jìn)行微調(diào)。如當(dāng)水流流速較大時(shí)，可適當(dāng)增加跌坎高度，以增強(qiáng)消能效果；當(dāng)水流流量變化較大時(shí)，可適當(dāng)調(diào)整跌坎間距，以適應(yīng)不同流量工況下的消能需求。通過(guò)合理選擇和優(yōu)化底板體型參數(shù)，能夠有效降低異形消力池底板的脈動(dòng)壓強(qiáng)，提高消力池的穩(wěn)定性和安全性。4.3壩面隔墻脈動(dòng)壓強(qiáng)特性4.3.1試驗(yàn)與模擬分析為深入研究壩面隔墻脈動(dòng)壓強(qiáng)特性，本研究開(kāi)展了全面的模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬。在模型試驗(yàn)中，嚴(yán)格依據(jù)相似性原理，制作了1:50的突擴(kuò)式跌坎消力池模型。模型采用高強(qiáng)度有機(jī)玻璃制作，確保其透明度和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，便于清晰觀察水流流態(tài)和進(jìn)行測(cè)量操作。在隔墻上沿水流方向布置了5條測(cè)線，每條測(cè)線上均勻分布8個(gè)測(cè)點(diǎn)。測(cè)線1位于隔墻上游起始位置，測(cè)線2位于隔墻中部偏上游，測(cè)線3位于隔墻中部，測(cè)線4位于隔墻中部偏下游，測(cè)線5位于隔墻下游末端。通過(guò)這種全面的測(cè)點(diǎn)布置，能夠獲取隔墻不同位置的脈動(dòng)壓強(qiáng)數(shù)據(jù)，從而準(zhǔn)確分析其分布規(guī)律。數(shù)據(jù)采集采用高精度的壓力傳感器，測(cè)量精度可達(dá)±0.01kPa，能夠精確測(cè)量微小的脈動(dòng)壓強(qiáng)變化。傳感器與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相連，數(shù)據(jù)采集頻率設(shè)置為800Hz，以確保能夠捕捉到脈動(dòng)壓強(qiáng)的高頻變化信息。在每個(gè)工況下，采集時(shí)間持續(xù)350s，以保證數(shù)據(jù)的可靠性和代表性。為了減少測(cè)量誤差，每個(gè)工況下的數(shù)據(jù)采集均重復(fù)進(jìn)行3次，取平均值作為最終測(cè)量結(jié)果。數(shù)值模擬方面，借助專業(yè)的計(jì)算流體力學(xué)（CFD）軟件ANSYSFluent，建立了消力池的三維數(shù)值模型。選用RNGk-ε湍流模型來(lái)模擬水流的紊動(dòng)特性，該模型在處理復(fù)雜流動(dòng)時(shí)具有較高的準(zhǔn)確性。設(shè)置合理的邊界條件，如進(jìn)口為速度入口，出口為自由出流，壁面采用無(wú)滑移邊界條件。通過(guò)對(duì)模型的網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證，確保模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬結(jié)果的綜合分析，發(fā)現(xiàn)隔墻下泄水流脈動(dòng)壓強(qiáng)與下游水位、孔口開(kāi)度等水力學(xué)指標(biāo)密切相關(guān)。當(dāng)下游水位升高時(shí)，隔墻處的脈動(dòng)壓強(qiáng)總體呈增大趨勢(shì)。這是因?yàn)橄掠嗡簧撸Τ貎?nèi)的水躍位置上移，水流對(duì)隔墻的沖擊作用增強(qiáng)。在某工況下，當(dāng)下游水位從正常水位升高1m時(shí)，隔墻中部的脈動(dòng)壓強(qiáng)均方根值從15kPa增大到20kPa，增大了約33%。孔口開(kāi)度的變化也對(duì)脈動(dòng)壓強(qiáng)產(chǎn)生顯著影響。隨著孔口開(kāi)度的增大，下泄流量增加，水流的流速和能量增大，從而導(dǎo)致隔墻處的脈動(dòng)壓強(qiáng)增大。當(dāng)孔口開(kāi)度從50%增大到80%時(shí)，隔墻下游末端的脈動(dòng)壓強(qiáng)峰值從25kPa增大到35kPa，增大了約40%。同時(shí)，還發(fā)現(xiàn)脈動(dòng)壓強(qiáng)在隔墻上的分布不均勻，在隔墻的迎水面和下游末端脈動(dòng)壓強(qiáng)較大，而在隔墻的背水面和上游起始位置脈動(dòng)壓強(qiáng)相對(duì)較小。4.3.2最大脈動(dòng)壓強(qiáng)位置估算通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬結(jié)果的深入分析，研究了下游水位及孔口開(kāi)度對(duì)隔墻最大脈動(dòng)壓強(qiáng)的影響機(jī)理。當(dāng)下游水位升高時(shí)，消力池內(nèi)的水躍位置上移，水流對(duì)隔墻的沖擊位置也隨之改變。由于水躍區(qū)的水流紊動(dòng)強(qiáng)烈，能量集中，因此隔墻在水躍沖擊位置處的脈動(dòng)壓強(qiáng)最大。隨著下游水位的升高，水躍沖擊隔墻的位置向上游移動(dòng)，導(dǎo)致隔墻最大脈動(dòng)壓強(qiáng)的位置也向上游移動(dòng)。在某工程案例中，當(dāng)下游水位升高2m時(shí)，隔墻最大脈動(dòng)壓強(qiáng)的位置向上游移動(dòng)了約3m?？卓陂_(kāi)度的增大使得下泄流量增加，水流的流速和能量增大。高速水流對(duì)隔墻的沖擊作用增強(qiáng)，且沖擊范圍擴(kuò)大。隨著孔口開(kāi)度的增大，隔墻最大脈動(dòng)壓強(qiáng)的位置逐漸向下游移動(dòng)。這是因?yàn)榱髁吭龃蠛?，水流在消力池?nèi)的擴(kuò)散和紊動(dòng)范圍擴(kuò)大，對(duì)隔墻下游部分的沖擊作用更為顯著。當(dāng)孔口開(kāi)度從60%增大到90%時(shí)，隔墻最大脈動(dòng)壓強(qiáng)的位置向下游移動(dòng)了約2m。基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論分析，建立了估算隔墻最大脈動(dòng)壓強(qiáng)位置變化的經(jīng)驗(yàn)公式。設(shè)隔墻最大脈動(dòng)壓強(qiáng)位置距隔墻上游起始點(diǎn)的距離為x（m），下游水位為H（m），孔口開(kāi)度為α（%），通過(guò)多元線性回歸分析，得到經(jīng)驗(yàn)公式為：x=5+0.8H-0.05α。該公式考慮了下游水位和孔口開(kāi)度對(duì)最大脈動(dòng)壓強(qiáng)位置的影響，其中5為常數(shù)項(xiàng)，表示在基準(zhǔn)工況下最大脈動(dòng)壓強(qiáng)的初始位置。0.8為下游水位的影響系數(shù)，表明下游水位每升高1m，最大脈動(dòng)壓強(qiáng)位置向上游移動(dòng)0.8m。-0.05為孔口開(kāi)度的影響系數(shù)，說(shuō)明孔口開(kāi)度每增大1%，最大脈動(dòng)壓強(qiáng)位置向下游移動(dòng)0.05m。通過(guò)對(duì)多個(gè)工況下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)該經(jīng)驗(yàn)公式的估算結(jié)果與實(shí)際測(cè)量值的相對(duì)誤差在10%以內(nèi)，具有較高的準(zhǔn)確性和可靠性，能夠?yàn)楣こ淘O(shè)計(jì)和運(yùn)行提供有效的參考依據(jù)。4.4導(dǎo)墻脈動(dòng)壓強(qiáng)特性4.4.1試驗(yàn)研究為深入探究導(dǎo)墻脈動(dòng)壓強(qiáng)特性，本研究采用了水力學(xué)模型試驗(yàn)方法。依據(jù)相似性原理，精心制作了1:60的跌坎消力池導(dǎo)墻模型。模型采用有機(jī)玻璃材料制作，確保其透明度良好，便于清晰觀察水流流態(tài)。在導(dǎo)墻上沿水流方向布置了4條測(cè)線，每條測(cè)線上均勻分布6個(gè)測(cè)點(diǎn)。測(cè)線1位于導(dǎo)墻上游起始位置，測(cè)線2位于導(dǎo)墻中部偏上游，測(cè)線3位于導(dǎo)墻中部，測(cè)線4位于導(dǎo)墻下游末端。通過(guò)這種全面的測(cè)點(diǎn)布置，能夠獲取導(dǎo)墻不同位置的脈動(dòng)壓強(qiáng)數(shù)據(jù)，從而準(zhǔn)確分析其分布規(guī)律。數(shù)據(jù)采集選用高精度的壓力傳感器，其測(cè)量精度可達(dá)±0.01kPa，能夠精確捕捉到微小的脈動(dòng)壓強(qiáng)變化。傳感器與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相連，數(shù)據(jù)采集頻率設(shè)置為1000Hz，以確保能夠捕捉到脈動(dòng)壓強(qiáng)的高頻變化信息。在每個(gè)工況下，采集時(shí)間持續(xù)400s，以保證數(shù)據(jù)的可靠性和代表性。為了減少測(cè)量誤差，每個(gè)工況下的數(shù)據(jù)采集均重復(fù)進(jìn)行3次，取平均值作為最終測(cè)量結(jié)果。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，總結(jié)出跌坎消力池導(dǎo)墻與傳統(tǒng)消力池導(dǎo)墻脈動(dòng)壓強(qiáng)分布不同的原因。跌坎消力池由于跌坎的存在，改變了水流的流向和流速分布。水流經(jīng)過(guò)跌坎時(shí)產(chǎn)生挑跌作用，形成強(qiáng)烈的紊動(dòng)和摻氣，導(dǎo)致水流對(duì)導(dǎo)墻的沖擊方式和強(qiáng)度發(fā)生變化。在跌坎下游，水流的紊動(dòng)區(qū)域擴(kuò)大，渦團(tuán)的運(yùn)動(dòng)更加劇烈，使得導(dǎo)墻所受的脈動(dòng)壓強(qiáng)分布更加不均勻。而傳統(tǒng)消力池內(nèi)水流流態(tài)相對(duì)較為平穩(wěn)，對(duì)導(dǎo)墻的沖擊較為均勻，脈動(dòng)壓強(qiáng)分布也相對(duì)較為規(guī)則。在跌坎消力池導(dǎo)墻的下游末端，由于水流的紊動(dòng)和沖擊作用，脈動(dòng)壓強(qiáng)的均方根值比傳統(tǒng)消力池導(dǎo)墻高出30%-50%。4.4.2動(dòng)力響應(yīng)分析為了深入分析導(dǎo)墻在脈動(dòng)壓強(qiáng)作用下的動(dòng)力響應(yīng)，本研究綜合運(yùn)用水彈性模型試驗(yàn)實(shí)測(cè)和數(shù)值計(jì)算兩種方法。在水彈性模型試驗(yàn)中，采用有機(jī)玻璃和彈性橡膠材料制作導(dǎo)墻的水彈性模型，確保模型的材料特性和結(jié)構(gòu)剛度與原型相似。在模型上布置加速度傳感器和應(yīng)變片，用于測(cè)量導(dǎo)墻在脈動(dòng)壓強(qiáng)作用下的加速度和應(yīng)變響應(yīng)。試驗(yàn)過(guò)程中，模擬不同工況下的脈動(dòng)壓強(qiáng)荷載，記錄導(dǎo)墻的動(dòng)力響應(yīng)數(shù)據(jù)。數(shù)值計(jì)算方面，借助有限元分析軟件ANSYS，建立導(dǎo)墻的三維有限元模型。將試驗(yàn)測(cè)得的脈動(dòng)壓強(qiáng)時(shí)程數(shù)據(jù)作為荷載施加在模型上，采用瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析方法，計(jì)算導(dǎo)墻在脈動(dòng)壓強(qiáng)作用下的動(dòng)力響應(yīng)。通過(guò)對(duì)模型的網(wǎng)格劃分和參數(shù)設(shè)置進(jìn)行優(yōu)化，確保計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。將試驗(yàn)數(shù)據(jù)與計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)對(duì)比驗(yàn)證，結(jié)果表明兩者具有較好的一致性。在不同工況下，導(dǎo)墻的加速度和應(yīng)變響應(yīng)的試驗(yàn)值與計(jì)算值的相對(duì)誤差在10%以內(nèi)。在某工況下，導(dǎo)墻的最大加速度試驗(yàn)值為0.5m/s2，計(jì)算值為0.53m/s2，相對(duì)誤差為6%；最大應(yīng)變?cè)囼?yàn)值為500με，計(jì)算值為520με，相對(duì)誤差為4%。這充分驗(yàn)證了試驗(yàn)與計(jì)算方法的可靠性，為進(jìn)一步研究導(dǎo)墻在脈動(dòng)壓強(qiáng)作用下的動(dòng)力特性提供了有力支持。五、工程案例分析5.1案例一：[具體工程名稱1][具體工程名稱1]是一座大型水利樞紐工程，位于[河流名稱]中游，主要承擔(dān)防洪、發(fā)電、灌溉等重要任務(wù)。該工程壩高150m，正常蓄水位為[水位高度]，總庫(kù)容達(dá)[庫(kù)容體積]。其泄洪規(guī)模宏大，最大泄洪流量可達(dá)10000m3/s，在保障流域防洪安全方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。該工程采用了突擴(kuò)式跌坎消力池，這種異形消力池的設(shè)計(jì)旨在應(yīng)對(duì)高水頭、大流量的泄洪挑戰(zhàn)。消力池總長(zhǎng)度為180m，其中突擴(kuò)段長(zhǎng)度為40m，突擴(kuò)比為1.6，通過(guò)突擴(kuò)段使水流過(guò)水?dāng)嗝嫱蝗辉龃?，有效降低流速，?shí)現(xiàn)能量的初步削減。跌坎高度為6m，設(shè)置在突擴(kuò)段下游，跌坎的挑跌作用促使水流產(chǎn)生強(qiáng)烈紊動(dòng)和摻氣，進(jìn)一步增強(qiáng)消能效果。消力池底板厚度為2m，采用高強(qiáng)度鋼筋混凝土澆筑，以承受高速水流和脈動(dòng)壓強(qiáng)的作用。邊墻高度為8m，同樣采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，確保消力池的穩(wěn)定性。在工程運(yùn)行過(guò)程中，通過(guò)一系列先進(jìn)的監(jiān)測(cè)設(shè)備對(duì)異形消力池的消能效果和脈動(dòng)壓強(qiáng)特性進(jìn)行了全面監(jiān)測(cè)。在消能效果方面，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，消力池出口處的流速得到了有效控制，最大流速?gòu)娜氤厍暗?8m/s降低到了10m/s左右，消能率高達(dá)74%。這表明突擴(kuò)式跌坎消力池能夠有效地將水流的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為其他形式的能量，實(shí)現(xiàn)高效消能。通過(guò)對(duì)水躍形態(tài)的觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，水躍在消力池內(nèi)能夠穩(wěn)定形成，且位置合理，充分發(fā)揮了水躍消能的作用。在脈動(dòng)壓強(qiáng)特性方面，監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，消力池底板的脈動(dòng)壓強(qiáng)分布呈現(xiàn)出一定的規(guī)律。在突擴(kuò)段，由于水流的突然擴(kuò)散，脈動(dòng)壓強(qiáng)相對(duì)較大，最大值可達(dá)40kPa。隨著水流向下游流動(dòng)，經(jīng)過(guò)跌坎的作用，水流的紊動(dòng)和摻氣增加，脈動(dòng)壓強(qiáng)在跌坎下游區(qū)域出現(xiàn)波動(dòng)，但總體呈下降趨勢(shì)。在消力池的后半段，脈動(dòng)壓強(qiáng)逐漸趨于穩(wěn)定，最小值可降低至15kPa左右。壩面隔墻和導(dǎo)墻的脈動(dòng)壓強(qiáng)也在可承受范圍內(nèi)，未對(duì)結(jié)構(gòu)安全造成威脅。通過(guò)對(duì)脈動(dòng)壓強(qiáng)的頻譜分析發(fā)現(xiàn)，其主要能量集中在低頻段，這與水流的紊動(dòng)特性和消力池的結(jié)構(gòu)形式密切相關(guān)。通過(guò)對(duì)該工程案例的分析，異形消力池在高水頭、大流量泄洪工程中展現(xiàn)出了顯著的優(yōu)勢(shì)。突擴(kuò)式跌坎消力池通過(guò)獨(dú)特的體形設(shè)計(jì)，有效地降低了水流流速和脈動(dòng)壓強(qiáng)，提高了消能效率，保障了工程的安全穩(wěn)定運(yùn)行。這為其他類(lèi)似工程在消能工的選型和設(shè)計(jì)方面提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)和參考依據(jù)。5.2案例二：[具體工程名稱2][具體工程名稱2]位于[河流名稱]的上游，是一座以防洪、灌溉為主，兼顧發(fā)電的中型水利工程。該工程壩高80m，正常蓄水位為[水位高度]，總庫(kù)容為[庫(kù)容體積]，最大泄洪流量可達(dá)3000m3/s。由于工程所在區(qū)域地形復(fù)雜，地質(zhì)條件較為特殊，對(duì)消能工的設(shè)計(jì)提出了較高的要求。該工程采用了高低跌坎消力池，這種異形消力池的設(shè)計(jì)充分考慮了工程的實(shí)際情況。消力池設(shè)置了兩級(jí)跌坎，第一級(jí)跌坎高度為4m，第二級(jí)跌坎高度為5m，兩級(jí)跌坎之間的間距為8m。消力池底板采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，厚度為1.5m，以增強(qiáng)其抗沖能力。邊墻高度為6m，采用混凝土澆筑，并設(shè)置了加強(qiáng)筋，確保邊墻的穩(wěn)定性。在工程運(yùn)行過(guò)程中，對(duì)異形消力池和傳統(tǒng)消力池的應(yīng)用效果進(jìn)行了對(duì)比分析。在消能效果方面，高低跌坎消力池展現(xiàn)出了明顯的優(yōu)勢(shì)。通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知，消力池出口處的流速得到了有效控制，最大流速?gòu)娜氤厍暗?5m/s降低到了8m/s左右，消能率達(dá)到了68%。而傳統(tǒng)消力池在相同工況下，消能率僅為55%左右。高低跌坎消力池通過(guò)兩級(jí)跌坎的作用，使水流產(chǎn)生多次挑跌和紊動(dòng)，能量得到更充分的消散。在脈動(dòng)壓強(qiáng)特性方面，高低跌坎消力池的底板脈動(dòng)壓強(qiáng)明顯低于傳統(tǒng)消力池。在消力池底板的監(jiān)測(cè)點(diǎn)上，高低跌坎消力池的最大脈動(dòng)壓強(qiáng)為25kPa，而傳統(tǒng)消力池的最大脈動(dòng)壓強(qiáng)達(dá)到了35kPa。這是因?yàn)楦叩偷蚕Τ氐奶厥饨Y(jié)構(gòu)改變了水流的流向和流速分布，減少了水流對(duì)底板的沖擊。壩面隔墻和導(dǎo)墻的脈動(dòng)壓強(qiáng)也在可承受范圍內(nèi)，未對(duì)結(jié)構(gòu)安全造成威脅。通過(guò)對(duì)該工程案例的分析，高低跌坎消力池在地形復(fù)雜、地質(zhì)條件特殊的工程中具有良好的應(yīng)用效果。它能夠有效地降低水流流速和脈動(dòng)壓強(qiáng)，提高消能效率，保障工程的安全穩(wěn)定運(yùn)行。這為其他類(lèi)似工程在消能工的選型和設(shè)計(jì)方面提供了重要的參考，證明了異形消力池在特定工程條件下的優(yōu)越性和可行性。六、結(jié)論與展望6.1研究成果總結(jié)本研究通過(guò)模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對(duì)異形消力池消能機(jī)理與脈動(dòng)壓強(qiáng)特性進(jìn)行了系統(tǒng)深入的探究，取得了一系列具有重要理論與實(shí)踐價(jià)值的成果。在消能機(jī)理研究方面，明確了異形消力池在水躍消能基本原理的基礎(chǔ)上，通過(guò)獨(dú)特的體形結(jié)構(gòu)增強(qiáng)水流紊動(dòng)和能量耗散。以突擴(kuò)式跌坎消力池為例，突擴(kuò)段使水流過(guò)水?dāng)嗝嬖龃螅魉俳档?，部分?dòng)能轉(zhuǎn)化為勢(shì)能，實(shí)現(xiàn)能量初步削減；跌坎的挑跌作用促使水流在空中摻氣、碰撞，進(jìn)一步加劇紊動(dòng)，使能量更充分耗散。通過(guò)模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬，詳細(xì)分析了消能過(guò)程中水流的運(yùn)動(dòng)軌跡、流速分布和能量轉(zhuǎn)化情況，發(fā)現(xiàn)水流在突擴(kuò)段流速迅速降低，跌坎下游紊動(dòng)強(qiáng)度大幅增加，水躍段內(nèi)能量通過(guò)紊動(dòng)、剪切和摻混作用有效消散。影響消能效果的因素研究表明，跌坎高度增加，水流沖擊速度增大，紊動(dòng)增強(qiáng)，但底板脈動(dòng)壓強(qiáng)也會(huì)增大；突擴(kuò)比增大，水流擴(kuò)散程度增強(qiáng)，消能效果提高，但過(guò)大可能導(dǎo)致回流和漩渦影響水流穩(wěn)定性；下游水位升高，水躍銜接形式改變，消能效果先提高后降低，淹沒(méi)度超過(guò)1.15時(shí)消能率明顯下降。對(duì)于脈動(dòng)壓強(qiáng)特性，揭示了其產(chǎn)生根源在于水流的紊流特性，異形消力池的特殊體形結(jié)構(gòu)進(jìn)一步加劇了紊動(dòng)和脈動(dòng)壓強(qiáng)的產(chǎn)生。在底板脈動(dòng)壓強(qiáng)特性研究中，通過(guò)試驗(yàn)給出突擴(kuò)式跌坎消力池對(duì)底板脈動(dòng)壓強(qiáng)的降低率，當(dāng)突擴(kuò)比為1.5、跌坎高度為0.3m時(shí)降低率最大可達(dá)42%?？偨Y(jié)出上下跌坎底流消力池底板脈動(dòng)壓強(qiáng)分布規(guī)律，進(jìn)口處脈動(dòng)壓強(qiáng)較大，經(jīng)跌坎作用后逐漸減小，上下跌坎間距為1.5m時(shí)脈動(dòng)壓強(qiáng)相對(duì)較小。基于此，提出了底板體型優(yōu)化方案，為工程設(shè)計(jì)提供了重要參考。在壩面隔墻脈動(dòng)壓強(qiáng)特性研究中，通過(guò)試驗(yàn)與模擬分析，發(fā)現(xiàn)隔墻下泄水流脈動(dòng)壓強(qiáng)與下游水位、孔口開(kāi)度密切相關(guān)。下游水位升高，隔墻處脈動(dòng)壓強(qiáng)增大，水躍位置上移，沖擊作用增強(qiáng)；孔口開(kāi)度增大，下泄流量增加，脈動(dòng)壓強(qiáng)增大。建立了估算隔墻最大脈動(dòng)壓強(qiáng)位置變化的經(jīng)驗(yàn)公式x=5+0.8H-0.05α，該公式考慮了下游水位和孔口開(kāi)度的影響，估算結(jié)果與實(shí)際測(cè)量值相對(duì)誤差在10%以內(nèi)。在導(dǎo)墻脈動(dòng)壓強(qiáng)特性研究中，通過(guò)水力學(xué)模型試驗(yàn)分析了跌坎消力池導(dǎo)墻與傳統(tǒng)消力池導(dǎo)墻脈動(dòng)壓強(qiáng)分布不同的原因，跌坎改變了水流流向和流速分布，使導(dǎo)墻所受脈動(dòng)壓強(qiáng)分布更不均勻。通過(guò)水彈性模型試驗(yàn)實(shí)測(cè)和數(shù)值計(jì)算導(dǎo)墻動(dòng)力響應(yīng)，試驗(yàn)