高坝泄洪消能防冲是我国水电开发的关键技术问题,高坝多采用挑流消能方式,在挑流消能中,挑射水流作用于下游河床,无论是自然形成的冲刷坑还是人工修建的水垫塘,都是利用下游一定厚度、一定体积的水垫来消耗跌落水流的能量,同时依靠冲刷坑或水垫塘底部抗冲层护底,达到消能防冲的目的。然而在实际工程建设中,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,导致冲刷破坏事件时有发生,危害水工建筑物安全。因此进一步深入研究水垫塘的消能机理,改进现有水垫塘防冲层结构形式存在的不足,提出创新性的水垫塘体型及有利的水垫塘边壁条件,对于从根本上解决造价高,破坏后修复难度大等问题有重要的实用意义。 　　为了在水垫塘消能防护理念上有所突破,在搜集整理国内外有关水垫塘消能研究成果的基础上,以万家口水垫塘为研究对象,采用 RNG k~紊流模型,利用 VOF 方法追踪自由表面,采用标准六面体结构化网格,利用大型流体力学软件Flow3d对万家口水垫塘模型进行三维数值模拟,得到水流流态,水面线,流速等水力参数的分布规律,并将数值模拟成果与物理模型试验成果进行了对比分析,其结果基本上一致。数值计算结果信息量庞大,全面反应了水垫塘内的水力特性,为后续研究块体护底新型水垫塘提供了计算方法。 　　借鉴河道、海岸整治工程及消力池下游海漫中大量运用碎石,四面体混凝土块等大粒径块体。这些散粒体构成的柔性高透水性结构消除了水流的能量,促进流速进一步调整,在水垫塘复杂的流态中,板所受的作用力也是瞬息万变的,极易被掀起,相比之下块状受力要均匀,将这种高透水性的散粒体堆积结构应用在水垫塘的防冲消能上,散粒体的透水性对水能的消散,防止冲坑的扩大有重要的作用。本文深入分析了块体的不同尺寸、形状对水垫塘消能效果的影响,选择四面体、球体、椭球体等基本形状的块体,以及不同尺寸的球体,数值模拟了水垫塘的水流流态、水面线、流速、底板压强等水动力特性。计算表明水垫塘内平铺不同粒径的球体时,4cm球体护底水垫塘的块体透水作用最强,流速衰减效果最为明显,冲击区的影响范围最小。同理水垫塘内铺设不同形状的块体时,球体护底的水垫塘效果最好。 　　最后数值模拟了具有多层结构的块体护底结构的冲坑形水垫塘,与水垫塘底部只铺一层抗冲块体相比,与水体的作用面积更大,这种抗冲体系的大粗糙度,高透水性的作用更强,能够更明显的加快流速的衰减,冲击区下游的块体有流线的进入和进出,冲击区的影响范围减小,增加了水流的紊动,提高了单位水体的消能率。这种冲坑形式的水垫塘,能使防冲结构尺寸合理的减小,减小了工程量。