考虑射流掺气的改进冲刷模型

Rafael DuarteaLaboratory of Hydraulic Constructions (LCH), École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL), Lausanne CH-1015, Switzerland,*, António PinheirobCivil Engineering Research and Innovation for Sustainability (CERIS), Instituto Superior Técnico, Universidade de Lisboa, Lisbon 1049-001, Portugal, Anton J. SchleissaLaboratory of Hydraulic Constructions (LCH), École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL), Lausanne CH-1015, Switzerland

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Received 29 February 2016

Revised form 5 July 2016

Accepted 6 July 2016

Available online 19 September 2016

掺气

上举力

岩体冲刷

大坝安全

高速射流

岩块稳定性

冲刷评估

基于受高速射流冲击的水垫塘中掺气对岩块稳定性影响的系统试验研究，本文给出了一种基于物理特性冲刷模型的适应性研究成果。在综合冲刷模型中实现了对射流掺气模型的改进，使其得以再现有关冲刷形成的物理–机械过程，其中涉及三相，即水、岩体和空气。改进方法考虑了因挟带气泡引起的掺气射流动量减少以及射流扩散剪切层的能量消耗。岩块从岩体脱离取决于掺气的时均压强系数及修正的最大动力冲击系数的组合，对于深水垫塘中的高速射流，该系数为定值0.2。上述改进模型的模拟结果与卡里巴大坝冲坑原型观测结果吻合良好。

© 2016 THE AUTHORS. Published by Elsevier LTD on behalf of Chinese Academy of Engineering and Higher Education Press Limited Company. This is an open access article under the CC BY-NC-ND license

(http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/).

1.引言

许多经验性工程方法可用来估算射流造成的下游河床冲刷。但是，此类经验方法往往只适用于具体工程，不具有广泛适用性[1]。事实上，水垫塘底板冲刷过程是由所涉及的三个因素(水、岩体和空气)相互作用的结果。此外，水流的强紊动性及其在水–岩体交界面上和岩体裂隙内部产生的压力脉动，使得水工模型中无法找到适宜的缩放比例。因此，基于弗劳德数的比尺模型，其适用性是极其有限的。

综合冲刷模型(CSM)首先由Bollaert[2]及Bollaert和Schleiss[3]提出，它的优点是考虑了下泄水流对岩体冲刷所产生的物理现象。该模型的建立是基于射流以接近原型速度冲击水垫塘底板上的封闭式和开放式裂隙的实验结果；……