高速射流冲刷水垫塘建模与实测分析

本文主要探讨了高速射流在水垫塘中的冲刷作用，特别是考虑了射流掺气对岩体稳定性的影响，并提出了一个增强的物理冲刷模型。研究涉及水电工程领域，尤其是冲刷模型的建设和实测验证，旨在提高大坝安全性和对高速射流冲刷评估的准确性。 在水电工程中，水垫塘的设计和运行至关重要，因为它直接影响到大坝的安全和岩体稳定性。传统的经验工程方法在估算射流冲刷时存在局限性，不能充分考虑复杂的三相相互作用（水、岩石和空气）。高速射流在水垫塘中的冲刷过程是一个高度动态且多变的现象，受到水流湍流、水-岩界面压力波动等因素的影响，使得基于弗劳德数的缩比模型无法准确模拟。 综合冲刷模型（CSM）的引入解决了这一问题，该模型由Bollaert和Schleiss首次提出，它考虑了射流冲击岩石时的各种物理现象。CSM基于近原型速度的倾伏射流实验，能够更好地重现原型射流的压力信号，从而降低尺度效应对冲刷过程模拟的影响。 本文作者Rafael Duarte等人进一步扩展了CSM，考虑了射流中的掺气因素。他们发现，掺气可以减少射流动量，降低能量耗散，这些变化由气泡的卷吸引起。在深水池中，高速射流对岩体的冲刷效果与掺气时的均压力系数和修正的最大动力冲击系数的组合有关，修正系数在深水条件下取值为0.2。 为了验证这个考虑掺气的增强型CSM，研究人员将其应用于卡里巴大坝的实际冲刷坑情况，结果显示模型预测与实测数据有良好的一致性。这表明，该模型能更准确地评估高速射流对岩体稳定性的影响，对于预测水垫塘冲刷过程和设计更安全的水电设施具有重要意义。 总结来说，这篇研究在水电工程领域提供了深入的见解，尤其是在理解高速射流冲刷机制和如何通过模型化来模拟这一过程方面。通过对射流掺气效应的考虑，提出的增强型CSM模型提高了冲刷预测的精度，对于大坝安全评估和岩体稳定性分析具有重要的理论与实践价值。