滦河迁西县城段弯道水沙物理模型设计与试验研究

摘要

弯道是天然河流的重要组成因素，在山区和平原区特别是冲击平原的河道上广泛存在。弯道水流受重力和离心惯性力的双重作用，水流和泥沙运动情况与顺直河段不同，水流结构非常复杂；同时弯道凹岸处受水流的顶冲作用，往往存在退岸、塌岸的危险，是河道整治工程中的重点对象。因此，研究弯道水流泥沙运动特性，既有理论价值，又有现实意义。 滦河迁西县城段为一“U”型弯道，在弯道处存在河心岛，目前防洪能力不足10年一遇洪水。规划工程保留河心岛进行生态建设，并在弯道进口、出口处修建两座溢流堰进行调坡，水流经过时不但受到弯道的控制还要受到河心岛和水工建筑物的影响，使得此河段与一般弯道相比更加复杂。 河工物理模型可以在一定的空间与时间范围内，重演天然河流的演变过程，或预报修建工程后的发展趋势，是解决三维性较强问题或试验范围内有水工建筑物的情况下不可替代的方法，一直以来受到水利界工作者的普遍重视。本文结合滦河迁西县城段弯道整治工程，对物理模型设计和弯道水沙运动规律进行了研究，取得了下列成果： (1)在模型设计过程中：对原型河道水文、泥沙资料进行了分析，抓住问题的实质，合理地选择模型相似律；对本文研究的复杂弯道，尝试性的选择模型变率为2.4，通过模型的验证及试验结果的合理性可知，变态的影响有限，可以满足试验要求；通过对各种模型沙的比较，选择天然沙作为模型沙，即经济合理又避免了采用轻质沙带来的一系列问题。 (2)通过对不同流量条件下弯道水流特性的研究得出：弯道水面最大横比降出现在弯项附近，随着流量增大变大，并且发生的位置向上游移动；最大流速在弯道范围内的凹岸，随着流量的增大而增大，并且发生的位置向下游移动。 (3)栖凤岛的存在对弯道水流有壅高和分流的作用，小流量时岛的影响明显，横向水面线呈中间高两端低的马鞍型，大流量时岛的影响减弱，横向水面线为凹岸缓，凸岸陡的倾斜线。岛两侧分流比不随流量的变化而变化。 (4)通过对不同流量条件下弯道泥沙冲淤规律的研究得出：弯道进口处，水流转弯在左侧堰与滩连接处脱离主槽壁产生紊动，随着流量的增大，紊动加剧，冲刷也加剧，并且在堰下游有不同程度的淤积。小流量时水流对岛的边坡冲刷严重，泥沙在纵向输移的同时，存在小部分横向输移；大流量时水流对岛的整体冲刷严重，泥沙向下游推移前进，横向输移不明显。

目录

文摘

英文文摘

声明

1引言

1.1研究背景和意义

1.2国内外研究现状

1.2.1弯道水沙运动规律研究现状

1.2.2河工物理模型研究现状

1.3本文研究内容

2试验河段基本情况

2.1河道概况

2.1.1自然地理

2.1.2河流水系

2.1.3水文气象

2.1.4河道地形特征

2.1.5 工程地质及泥沙

2.2规划后河道概况

2.2.1规划工程任务

2.2.2规划工程建设规模

2.2.3糙率取值

2.2.4河段代表性资料

3模型设计、制作与验证

3.1相似条件

3.1.1水流运动相似

3.1.2泥沙运动相似

3.2模型变态率的确定

3.3模型沙的选择

3.3.1常用模型沙的特点

3.3.2模型沙的选择

3.4模型比尺的确定

3.5糙率的验证

3.5.1模型沙制备

3.5.2糙率的验证

3.6模型试验系统设计

3.6.1流量控制系统

3.6.2水位控制系统

3.6.3数据观测与采集系统

3.7模型的制作

3.8模型的验证

3.8.1水面线的验证

3.8.2流速的验证

4试验结果及分析

4.1水流特性的研究

4.1.1水面横比降形态及其与流量的关系

4.1.2水面纵比降

4.1.3栖凤岛对水面线的影响

4.1.4纵向流速及其与流量的关系

4.1.5分流比与流量的关系

4.2泥沙冲淤规律的研究

4.2.1一号堰周围的冲淤情况

4.2.2栖凤岛周围的冲淤情况

4.2.3二号堰周围冲淤情况

5结论

5.1关于模型设计

5.2关于弯道水流泥沙运动特性

5.3关于工程规划布局

参考文献

附录

在读期间发表的学术论文

作者简历

致谢