库区大水深条件下粉砂输移的试验模拟技术研究

摘要

三峡水库蓄水以来，淤积泥沙有90％左右分布在常年回水区，极大部分为中值粒径0.01mm的粉砂。泥沙淤积严重的河段主要是梅溪河口、黄花城、兰竹坝、凤尾坝、土脑子等，其中黄花城河道出现了航槽易位，上下行船舶航线的通视性差，存在严重的安全隐患。为保证长江干线高等级航道的畅通的要求，建设高等级航道，常年回水区泥沙淤积问题亟待解决。但现阶段缺乏针对库区粉砂输移的成熟的模拟技术，因此本文针对库区大水深条件下粉砂输移模拟关键技术进行研究。
　　本文通过原型观测发现三峡常年库区航道泥沙输移规律及冲淤特点，并研究分析了库区粉砂输移模拟试验的相似条件。主要内容概要如下:
　　1、常年库区河道存在粉砂絮凝沉降，且床沙起动受水深影响，用原有的挟沙力来进行泥沙的输移判别不再适用。研究发现了淤泥质粉砂的冲刷区、输移区和淤积区，依此判别泥沙冲淤规律，并据此修正了三峡库区航道的泥沙运动和河床变形方程，为后续的物理模型设计奠定理论基础。
　　2、根据现有起动流速公式难以确定粉砂输移的流速比尺，提出使用原型和水槽实测的泥沙起动流速确定流速比尺;鉴于尚无成熟的相似理论确定絮凝沉降比尺和粉砂起动比尺，采用原型沙作为试验用沙，此时絮凝沉降比尺和粉砂起动比尺为1;根据修正后的河床变形方程推演得到λZλγ=λSλH，认为泥沙冲淤时间比尺不能由河床变形方程确定，泥沙冲淤时间比尺应与水流时间比尺一致;为了保证泥沙冲淤相似，需根据模型河床冲淤演变相似性调整流速比尺。
　　3、为了验证提出的相似比尺，针对库区急弯放宽分汊河道进行模型创新设计，并开展流速比尺的比选试验，最终确定流速比尺为5。开展的长序列冲淤验证试验显示模型的流速分布、流态特征、淤积部位和淤积厚度与原型的相似度较高。证明基于原型沙的库区河道模型粉砂输移模拟技术是可行的，具有创新性和实用性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究意义

1．2 悬移质模型试验相似条件

1．3 细颗粒泥沙输移特性

1．3．1 起动特性

1．3．2 沉降特性

1．3．3 输移流速带

1．4 三峡水库泥沙淤积特点

1．4．1 库区年际淤积量

1．4．2 库区年内冲淤特点

1．4．3 沿程淤积分布特点

1．5 存在的问题和研究内容

1．5．1 存在的问题

1．5．2 研究内容

第二章 库区河道泥沙输移规律

2．1 原型观测

2．2 库区泥沙输移规律

2．2．1 粉砂絮凝沉降

2．2．2 输移流速带

2．3 库区航道泥沙运动方程

2．3．1 泥沙运动方程

2．3．2 河床变形方程

2．3．3 方程参数

2．4 三峡库区泥沙输移规律的认识

第三章 库区河道模型的相似条件及设计

3．1 库区物理模型常规设计

3．1．1 水流运动相似条件

3．1．2 泥沙运动相似条件

3．1．3 悬移质模型设计步骤

3．1．4 常规设计存在的问题

3．2 库区粉砂输移模型创新设计

3．2．1 模型沙类型的选取

3．2．2 絮凝沉降比尺的确定

3．2．3 粘性泥沙起动流速比尺的确定

3．2．4 河床变形相似条件

3．2．5 创新设计步骤

3．3 库区急弯放宽分汊河道模型设计

3．4 小结

第四章 库区急弯放宽分汊粉砂输移河道的模型制作与相似条件验证

4．1 黄花城河道物理模型制作

4．1．1 模型范围

4．1．2 模型制作

4．1．3 附属设施及仪器

4．2 流速比尺的比选试验

4．2．1 原始地形数据

4．2．2 比尺试验(λv=2．5)

4．2．3 比尺试验(λv=3．5)

4．2．4 比尺试验(λv=5)

4．2．5 流速比尺的确定

4．3 水流条件验证

4．3．1 验证资料

4．3．2 水位验证

4．3．3 流速验证

4．4 长时间系列河床冲淤验证

4．4．1 水沙控制条件

4．4．2 横断面冲淤形态分析

4．4．3 平面冲淤形态分析

4．4．4 冲淤相似性分析

4．5 典型流量水位下河床冲淤验证

4．5．1 水沙控制条件

4．5．2 横断面冲淤相似性分析

4．5．3 平面冲淤形态分析

4．5．4 冲淤相似性分析

4．6 对细颗粒粉砂模型试验模拟技术的认识

第五章 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及参与科研情况