山区河流洲头浅险滩群水流特性及整治研究

摘要

长江上游重庆至宜宾河段航道等级从Ⅲ级提升到Ⅱ级，是国家实施西部大开发战略的重要举措，同时也是加快上游地区发展的必然趋势。水师坝滩位于长江上游白沙水道，是集枯水浅滩、险滩为一体的分汊型浅险滩群，滩段水流条件复杂，碍航成因多变。本文采用理论分析和二维水流数学模型，对水师坝浅险滩群水流特性、整治参数及整治措施进行计算了分析，可为山区河流洲头浅险滩群的整治方法提供参考。
　　论文的工作内容和研究成果主要有:
　　(1)收集了丰富的滩段地形和水文资料，分析了水师坝河段河床演变规律及水文泥沙特性。结合滩段水位、流速及浮标流向等实测资料对平面二维水流数学模型进行了验证计算，给出了适合研究河段的基本参数。
　　(2)基于概化水槽模型，通过数模计算和分析提出了流线漂距与横流、流量等的经验关系式以及航槽允许横流的计算式，给出了适合于水师坝河段的横流取值范围为0.5～0.7m/s。基于水师坝天然河段，通过密集工况的水流特性计算分析，给出了断面系数、航道流速、航槽比降、消滩判数等的沿程分布，结果表明，水师坝河段为分汊河道浅险滩群，即洲头上游水浅碍航，和对夹石与洲头对峙形成强烈夹堰水而成险。
　　(3)通过多种坝型、坝长、坝轴线走向、坝位以及流量等众多工况的单因素和多因素计算分析，得到了水流速度、横流强度等变化规律，提出洲头顺坝比岸边丁顺坝更适合洲头险滩的整治;分析洲头坝坝头绕流特性，提出洲头坝横向位置的经验计算式;同时分析主汊河宽比μ推算洲头坝位置，两种方法相互得以验证并运用于航道整治。
　　(4)本文提出的极速控制法推求整治线宽度，从泥沙起动和上滩流速两个方面控制滩段水流条件，紧密结合滩段实际，比常规的水力学法、造床流量法等传统方法更加符合实际，是一种确定山区河道浅滩整治参数的可靠方法。
　　(5)提出了浅滩筑坝束水攻沙，险段炸礁及筑洲头坝调整流态、减缓横流的整治思路，经过多个整治方案的数值模拟和优化，得到的推荐方案基本能达到整治目的，可为实际工程的设计和实施提供技术支撑。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 浅滩研究现状

1．2．2 险滩研究现状

1．2．3 复杂险滩研究现状

1．2．4 分汊河道滩群研究现状

1．3 数值模拟研究现状

1．3．1 一维数值模拟

1．3．2 二维数值模拟

1．3．3 三维数值模拟

1．4 主要研究内容及技术路线

1．4．1 主要研究内容

1．4．2 研究技术路线

第二章 研究河段基本情况

2．1 滩险概况

2．2 河床演变分析

2．2．1 岸线变化

2．2．2 洲滩变化

2．2．3 滩槽变化

2．2．4 深泓变化

2．2．5 近期3．5m水深线变化

2．3 水文泥沙特性分析

2．3．1 年径流量统计

2．3．2 典型保证率流量统计

2．3．3 卵石年输沙量统计

2．3．4 卵石特征粒径统计

2．4 本章小结

第三章 数学模型的建立及验证

3．1 二维水流数学模型的建立

3．1．1 控制方程

3．1．2 边界条件

3．1．3 基本方程的数值离散与求解

3．1．4 总体有限元方程的求解

3．2 河道模型的验证

3．2．1 验证所采用的资料

3．2．2 河段网格生成及糙率的率定

3．2．3 水位验证

3．2．4 流速验证

3．2．5 浮标验证

3．3 本章小结

第四章 滩段工程前水流特性分析

4．1 研究基础流量

4．2 综合指标分析

4．2．1 代表船型基本参数

4．2．2 通航水力指标

4．3 航槽允许横流的数值模拟分析

4．3．1 水槽的建立

4．3．2 计算分析与比较

4．4 滩性分析

4．4．1 断面系数η

4．4．2 航槽流速U

4．4．3 碍航流态

4．4．4 航中线比降J

4．4．5 消滩判数E

4．5 本章小结

第五章 洲头整治建筑物水流特性研究

5．1 研究准备

5．1．1 计算工况的拟定

5．1．2 分析方法

5．2 计算结果分析

5．2．1 流态变化与来流条件Q的关系研究

5．2．2 流态变化与坝体位置B的关系研究

5．2．3 流态变化与坝体角度θ的关系研究

5．2．4 流态变化与坝体长度l的关系研究

5．2．5 洲头整治建筑物合理布置形式

5．3 洲头坝横向位置推求

5．3．1 根据坝头绕流特性分析

5．3．2 根据主汉河宽比μ分析

5．4 本章小结

第六章 水师坝浅险滩群整治研究

6．1 历史整治情况及整治思路

6．1．1 历史整治情况

6．1．2 整治思路

6．2 整治参数的分析

6．2．1 基于输沙能力浅析整治水位

6．2．2 极速控制法推求整治线宽度

6．3 纯疏炸方案(对夹石炸礁+浅区疏浚)

6．3．1 方案布置

6．3．2 整治效果分析

6．4 整体方案一(1#、2#丁顺坝+洲头坝+疏浚炸礁)

6．4．1 方案布置

6．4．2 整治效果分析

6．5 整体方案二(1#丁顺坝+洲头坝+疏浚炸礁)

6．5．1 方案布置

6．5．2 整治效果分析

6．6 方案优化试验(1#丁顺坝退后20m)

6．6．1 方案布置

6．6．2 整治效果分析

6．7 本章小结

7．1 结论

7．2 展望

致谢

参考文献

在校期间发表的论著及参与的科研项目