現(xiàn)代壩工消能防沖原理

前言

隨著我國(guó)生產(chǎn)力水平和科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，人們對(duì)電力的需求愈來愈大，使我國(guó)水利水電工程規(guī)模日益增大，特別是峽谷區(qū)的高壩建設(shè)發(fā)展迅速。由于現(xiàn)代壩工泄水建筑物的泄水流具有水頭高、流速大、水股集中的特點(diǎn)，下泄水流的機(jī)械能(特別是動(dòng)能)很大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過下游河道正常水流所能承受的能量，顯然，如不設(shè)法消剎解決，在其直接與下游河道水流銜接的過程中，勢(shì)必會(huì)造成惡劣的流態(tài)，嚴(yán)重地沖刷破壞，危及泄水建筑物的安全。故消能防護(hù)的核心問題是，在泄水建筑物下游盡可能短的范圍內(nèi)或所規(guī)定區(qū)域內(nèi)集中消剎下泄水流的機(jī)械能(動(dòng)能)，使其與下游河道水流平順銜接，以確保建筑物與河道的安全。由于泄洪消能防護(hù)問題直接關(guān)系到壩體的安全和穩(wěn)定，所以對(duì)于具體工程的消能型式，必須做到安全、可行、方便、經(jīng)濟(jì)。其中，“安全”指泄洪時(shí)必須保證壩體和其他各類建筑物的安全和穩(wěn)定；“可行”指泄洪布置、控制閘門以及施工運(yùn)行等是合理可行的；“方便”指運(yùn)行操作和維修方便；“經(jīng)濟(jì)”指在滿足上述要求的前提下使泄水建筑物的總造價(jià)最小。一般泄水建筑物的工程造價(jià)約占?jí)喂た傇靸r(jià)的40％～50％，因此經(jīng)濟(jì)問題也是泄洪消能設(shè)計(jì)中一個(gè)相當(dāng)重要的因素。從水力學(xué)和流體力學(xué)觀點(diǎn)看，消能與防護(hù)是一個(gè)事物的兩個(gè)方面，消能是通過各種工程措施為下泄水流提供一個(gè)高效消剎能量的區(qū)域，防護(hù)則是對(duì)消能區(qū)及其下游一定范圍內(nèi)的河床與岸坡進(jìn)行必要的工程保護(hù)，以免遭水流的沖刷破壞。在整個(gè)過程中，消能是主要手段，防護(hù)是輔助措施。那么，對(duì)于具體的水流條件、地形地質(zhì)條件、泄水建筑物的形式與布置等，如何才能夠提供一個(gè)有效的高消能效率區(qū)，怎樣進(jìn)行必要的防沖保護(hù)，這是人們解決各種泄洪消能問題的關(guān)鍵，也是進(jìn)行防護(hù)設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。一般而言，從水流出坎、入水后機(jī)械能消剎到與下游河道水流平順銜接，在整個(gè)水流劇烈變化過程中，不同流動(dòng)區(qū)域的流動(dòng)特征和消能機(jī)理雖然不盡相同，但原理上可歸結(jié)為水流在局部區(qū)域內(nèi)發(fā)生劇烈演變的復(fù)雜流動(dòng)現(xiàn)象，統(tǒng)稱為局部水流現(xiàn)象。在局部水流現(xiàn)象中，水流在劇烈的動(dòng)量和能量轉(zhuǎn)換過程中，伴隨有大量的機(jī)械能損失，其中一部分損失是水流克服邊界摩阻力做功引起的，另一部分損失是水流克服內(nèi)部紊動(dòng)渦體發(fā)生劇烈混摻和碰撞所產(chǎn)生的紊動(dòng)應(yīng)力做功引起的。由于這些機(jī)械能損失是不可逆的，最終被轉(zhuǎn)換成熱能而消散，不可能再被水流所利用而作有用功，故水力學(xué)中，把這種發(fā)生于局部流動(dòng)區(qū)域中的機(jī)械能損失稱為局部能量損失，在泄洪消能問題中也稱消能。

內(nèi)容概要

現(xiàn)代壩工消能防沖問題直接關(guān)系到大壩的安全和穩(wěn)定。本書以水躍和射流理論為主線，分為理論基礎(chǔ)、基本消能工和新型消能工三大部分，全面深入系統(tǒng)地論述了現(xiàn)代壩工各種泄洪消能型式的流動(dòng)特征、消能機(jī)理，給出詳細(xì)的理論推導(dǎo)和設(shè)計(jì)方法等。在理論基礎(chǔ)部分，包括水躍和射流理論；在基本消能工部分，包括底流、面流、挑流和戽流等消能工；在新型消能工部分，重點(diǎn)闡述了我國(guó)近期在峽谷區(qū)高壩建設(shè)中的最新研究成果，包括寬尾墩消能工、窄縫挑流消能工和挑跌流水墊塘消能工等。全書內(nèi)容翔實(shí)，取材新穎，概念清晰，推導(dǎo)嚴(yán)謹(jǐn)，由淺入深，圖文并茂，重點(diǎn)突出，應(yīng)用性強(qiáng)?！　”緯晒氖滤姽こ碳夹g(shù)領(lǐng)域的研究人員、技術(shù)人員、管理人員以及大專院校的相關(guān)專業(yè)師生參考。

作者簡(jiǎn)介

劉沛清，男，1960年12月30日生，山西省忻州市人，中共黨員，1978-1982年在華北水利水電學(xué)院讀水工專業(yè)，獲學(xué)士學(xué)位，1989年在河海大學(xué)獲工學(xué)碩士學(xué)位，研究方向?yàn)橛?jì)算流體力學(xué)，1995年在清華大學(xué)獲工學(xué)博士學(xué)位，研究方向?yàn)楦邏涡购橄軝C(jī)理與防護(hù)，1995-1997年，在北京航空航天大學(xué)流體力學(xué)研究所博士后流動(dòng)站工作，1997年至今，在北京航空航天大學(xué)流體力學(xué)研究所工作，2000年至今，任教育部流體力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室責(zé)任教授，博士生導(dǎo)師，2003年至今，任航空科學(xué)與工程學(xué)院副院長(zhǎng)，北京市空氣動(dòng)力學(xué)精品課負(fù)責(zé)人，國(guó)家級(jí)航空航天實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心主任，中國(guó)空氣動(dòng)力學(xué)學(xué)會(huì)理事，四川大學(xué)等學(xué)校兼職教授，20C10年獲全國(guó)百篇優(yōu)秀博士論文，2003年獲全國(guó)國(guó)防系統(tǒng)百名優(yōu)秀博士、碩士先進(jìn)工作者稱號(hào)，2005年獲國(guó)家教學(xué)成果二等獎(jiǎng)，2007獲中國(guó)電力科學(xué)技術(shù)三等獎(jiǎng)，2009年獲北京市教學(xué)成果一等獎(jiǎng)，2009年獲北京市優(yōu)秀教師稱號(hào)。長(zhǎng)期從事空氣動(dòng)力學(xué)、水動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬工作，近年來結(jié)合國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)資助和面上項(xiàng)目以及國(guó)防預(yù)研課題等，利用理論、實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬等多種手段對(duì)工程中的一些復(fù)雜流動(dòng)開展了系統(tǒng)深入研究，在國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)刊物上發(fā)表論文150余篇，被SCI、EI收錄多篇，出版著作6部，特別是在高壩泄洪消能領(lǐng)域提出一系列獨(dú)到見解，受到國(guó)內(nèi)外同行專家的肯定和好評(píng)，現(xiàn)主要從事的研究方向是：旋渦分離流與流動(dòng)控制、飛行器大迎角空氣動(dòng)力學(xué)、鴨式布局渦系干擾與控制、高速層流控制技術(shù)、現(xiàn)代輕質(zhì)高效螺旋槳設(shè)計(jì)與優(yōu)化、大型飛機(jī)起飛著陸氣動(dòng)性能、水上迫降性能研究等領(lǐng)域，承擔(dān)博士生“近代流體力學(xué)”課程；碩士生“湍流模型理論及其應(yīng)用”和“水動(dòng)力學(xué)理論”課程。

書籍目錄

前言 第一部分 理論基礎(chǔ) 　第1章 水躍理論 　　1．1 水躍現(xiàn)象及其分類 　　1．2 自由水躍 　　1．3 強(qiáng)迫水躍 　　1．4 水躍的長(zhǎng)度 　　1．5 矩形明渠水躍段速度分布 　　1．6 空間水躍 　　1．7 水躍消能率計(jì)算 　　1．8 低弗汝德數(shù)水躍 　　1．9 淹沒水躍 　　1．10 水躍的紊動(dòng)特征 　　參考文獻(xiàn) 　第2章 紊動(dòng)射流理論 　　2．1 紊動(dòng)射流的基本特征 　　2．2 紊動(dòng)射流基本方程與紊流模型 　　2．3 平面自由紊動(dòng)射流 　　2．4 圓形自由紊動(dòng)射流 　　　　2．5 復(fù)合自由紊動(dòng)射流 　　2．6 自由紊動(dòng)壁射流 　　2．7 平面自由紊動(dòng)沖擊射流 　　2．8 平面淹沒紊動(dòng)沖擊射流 　　2．9 在水利工程中的紊動(dòng)射流 　　參考文獻(xiàn) 第二部分 基本消能工 　第3章 泄水建筑物下泄水流的消能與銜接 　　3．1 泄水建筑物下游水流銜接 　　3．2 消能原理及水流銜接基本方式 　　3．3 跌水與陡槽的水力計(jì)算 　　參考文獻(xiàn) 　第4章 底流消能 　　4．1 底流消能的主要形式 　　4．2 底流水躍銜接水力計(jì)算 　　4．3 幾種定型消力池的水力計(jì)算 　　4．4 消力池下游的加固計(jì)算 　　4．5 某工程消力池布置分析 　　參考文獻(xiàn) 　第5章 面流消能 　　5．1 面流的銜接形式與特點(diǎn) 　　5．2 面流銜接水力計(jì)算 　　5．3 自由面流的速度分布 　　參考文獻(xiàn) 　第6章 挑流消能 　　6．1 挑流消能的水力計(jì)算 　　6．2 水平挑距的討論 　　6．3 挑射水流的沖刷與平衡沖坑深度估算 　　6．4 挑流消能的霧化問題 　　6．5 含沙水流對(duì)挑流沖刷的影響 　　參考文獻(xiàn) 　第7章 戽流消能 　　7．1 戽流消能特點(diǎn) 　　7．2 戽式消力池界限水深計(jì)算 　　7．3 戽式消力池下游平衡沖刷深度估算 　　7．4 面流和戽流平衡沖刷深度分析 　　7．5 某型水電站戽式消力池水力計(jì)算實(shí)例 　　參考文獻(xiàn) 第三部分 新型消能工 　第8章 泄水建筑物下游不同消能形式的消能防護(hù)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 　　8．1 消能防護(hù)設(shè)計(jì)概述 　　8．2 各種常規(guī)消能形式的消能防護(hù)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 　　8．3 挑跌流水墊塘消能形式的消能防護(hù)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則探討 　　參考文獻(xiàn) 　第9章 寬尾墩消能工 　　9．1 寬尾墩消能工的基本特點(diǎn) 　　9．2 寬尾墩幾何參數(shù)及其確定 　　9．3 寬尾墩底流消力池及其消能機(jī)理 　　9．4 寬尾墩-底(中)孔(挑流)-消力池及其消能機(jī)理 　　9．5 寬尾墩-戽式消力池及其消能機(jī)理 　　9．6 寬尾墩-臺(tái)階式溢流壩聯(lián)合消能工 　　參考文獻(xiàn) 　第10章 摻氣分流墩消能工 　第11章 窄縫挑坎消能工 　第12章 高壩挑跌流水墊塘泄洪消能型式 　第13章 挑射水流對(duì)巖石河床的沖刷機(jī)理 　第14章 泄洪洞內(nèi)消能工 后記

章節(jié)摘錄

插圖：

后記

掩卷擱筆數(shù)月，每當(dāng)不由自主地?fù)崦鴶[在案頭上厚厚的書稿時(shí)，總免不了生出幾分感慨、欣慰和遺憾，有時(shí)隨筆寫上幾句，累積起來讀后自我感覺不像是在賣弄和說教，思考后決定附在書后，倒顯得真實(shí)可信，如能對(duì)后來者有所啟迪也算是一件不無裨益的事。感慨的是，這本不大不小著作的完成，如果從開始涉足算起，至今已有27年的時(shí)間。記得在27年前，筆者剛剛從華北水利水電學(xué)院大學(xué)本科畢業(yè)并留校任教，一次偶然的機(jī)會(huì)，在新華書店見到了科學(xué)出版社出版的河海大學(xué)郭子中教授著的《消能防沖原理與水力設(shè)計(jì)》一書，當(dāng)時(shí)正在出差期間，為了在路上消磨時(shí)光就買了一本隨意讀起來。雖然并沒有讀懂多少，但書中所描述的許多現(xiàn)象和復(fù)雜的流動(dòng)問題給自己留下了深刻的印象，激起了濃厚的興趣?，F(xiàn)在回想起來，這為日后27年來自己在該領(lǐng)域的苦苦追求，堅(jiān)持不懈地尋找著各種復(fù)雜流動(dòng)問題的解決辦法，是多么重要?？磥砼d趣加意志常常會(huì)左右人生的。欣慰的是，這本書雖然遠(yuǎn)稱不上巨著，但涵蓋了從幾十米的壩高到三百米級(jí)的高壩中有關(guān)消能防沖的絕大多數(shù)問題，特別是從理論上系統(tǒng)地闡述了近幾十年來我國(guó)科技工作者在該領(lǐng)域所取得的主要研究成果。在自己50歲知天命的年齡能夠完成此書，總算是對(duì)年輕時(shí)所立下誓言的一個(gè)交待。當(dāng)看到自己長(zhǎng)期追求的事情有所結(jié)果，有點(diǎn)如釋重負(fù)之感，不能不算是一件欣慰之事。在此，要特別感謝在27年中指導(dǎo)和幫助過自己成長(zhǎng)的各位老師和前輩，感謝該領(lǐng)域同仁們的大力支持，由于自己水平有限，難免有掛一漏萬之嫌，懇請(qǐng)大家諒解。同時(shí)為了表達(dá)科學(xué)出版社出版的《消能防沖原理與水力設(shè)計(jì)》一書對(duì)自己的啟發(fā)作用，本書的出版特地再次選擇了科學(xué)出版社。遺憾的是，27年前受郭子中教授的著作感染，選擇了消能防沖領(lǐng)域，那時(shí)年氣盛，雄心勃勃，立志要在該領(lǐng)域有所成就和建樹，現(xiàn)在看來當(dāng)時(shí)真有些初生牛犢不怕虎。如今花去半生的心血，掩卷完稿，捫心自問似乎又回到了原地，對(duì)問題的認(rèn)識(shí)好像愈來愈茫然無知，書中所記載的有關(guān)自己的一些觀點(diǎn)和方法，也不過是一些支離破碎的研究體會(huì)，甚至是謬誤、糟粕而已面對(duì)自然界中這些復(fù)雜的流動(dòng)現(xiàn)象，自己顯得多么渺小和無奈啊!好在長(zhǎng)江后浪推前浪，人的認(rèn)知是螺旋式上升的，如果該書的出版能夠?qū)髞碚哂心呐率俏⑿〉膯l(fā)和幫助，也算是不枉此行。劉沛清2010年2月于北京航空航天大學(xué)

編輯推薦

《現(xiàn)代壩工消能防沖原理》是由科學(xué)出版社出版的。

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