地涵工程影响下的河道冲淤变化及其改善措施研究

摘要

我国黄河、海河及其他一些河流的含沙量较高，年平均含沙量在5kg/m3以上，属于多泥沙河流。在多泥沙河流上修建水工建筑物，泥沙问题将是修建此类建筑物的关键技术难题。该问题主要分为两类，一是多泥沙河流对拟建工程淤积的影响，二是工程建成以后对原河道冲淤变化的影响。若不加以研究，拟建工程极易发生淤积，影响工程效益发挥及工程自身安全;发生在工程附近的河道冲淤变化，亦会影响工程安全，行洪能力问题显得尤为突出。目前，主要通过模型试验的方法进行前期论证，优化选出最合理的布置方案。在长期治河实践中，我国水利工作者对河流泥沙输移、河床演变与整治等进行了大量研究，取得了许多重要成果，成功解决了诸如葛洲坝、三峡、小浪底等工程的泥沙问题。90年代以来，在数值计算方面，二维、三维泥沙数学模型得到了大量的发展与工程应用。
　　废黄河是一条多泥沙河流，汛期含沙量大，非汛期流量小，含沙量也小。本文以废黄河地涵工程上游河道为例，分析了该工程运行多年来上游河道泥沙淤积的成因及现有闸门控制运用方案对河道冲淤变化的影响，并提出了整治措施，确保工程安全。
　　本文的主要研究内容及成果如下:
　　(1)按相关规范要求，分定床清水、定床浑水以及局部动床三部分进行了模型试验研究，试验结果基本反映了河道的实际流动情况;
　　(2)所研究的河段具有弯道水流特征，在无措施工况下，采用对称开启不同两孔闸门的运行方式，河道左岸存在显著的低速回流区，易造成泥沙淤积;
　　(3)采取两道丁坝整流措施后，水流得以调整，通过束窄河床的方式，流速提高明显，分布更加合理，有利于减少泥沙沉积。通过定床浑水试验得知，上游河道左右两岸均存在淤积现象，左岸更为严重。添加丁坝措施以后，左岸淤积有所减弱，整治效果较为理想。通过局部动床试验得知，第一道丁坝坝头区域容易产生冲刷，建议做加固处理;
　　(4)借助UG建立该工程研究范围内的三维模型，运用Flow-3D软件在原型尺度上对该工程进行了模拟计算，采用VOF方法处理自由液面，计算结果与试验结论基本一致;
　　(5)对河床底层的淤沙进行采样分析，在设计及措施工况下进行了浑水工况计算，基本弄清了泥沙淤积的成因。泥沙随主流不断前移，发生侧向扩散，最后沉积在流速较低的地方。随时间的延长，左岸淤积加重，河道主流偏向右岸，加之过水断面收缩，右岸的淤沙被带走，甚至造成冲刷，与实际冲淤现象一致。
　　(6)通过丁坝的整治措施，成功解决了左岸低速区容易造成泥沙淤积的问题，整治效果较为理想，该整治措施亦可为类似工程提供一定参考。

目录

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 泥沙问题研究现状

1．2．1 理论分析方面

1．2．2 模型实验方面

1．2．3 数值计算方面

1．3 研究意义及主要工作

1．3．1 研究目的及意义

1．3．2 论文主要工作

第二章 模型试验研究

2．1 模型试验相似准则

2．1．1 定床清水相似准则

2．1．2 定床浑水相似准则

2．1．3 局部动床相似准则

2．2 模型试验设计

2．2．1 模型布置

2．2．2 试验方案

2．3 试验结果分析

2．3．1 定床清水试验结果分析

2．3．2 定床浑水试验结果分析

2．3．3 动床浑水试验结果分析

2．4 工程控制运用分析

第三章 数值模拟方法介绍

3．1 FLOW-3D软件简介

3．2 基本控制方程

3．2．1 FLOW-3D控制方程

3．2．2 流体界面与自由液面(Fluid Interfaces and Free Surfaces)

3．3 物理模型

3．3．1 湍流模型(Viscosity and Turbulence Model)

3．3．2 泥沙冲刷模型(Sediment Scour Model)

3．4 物体表面粗糙度(Component Roughness)

3．5．求解方法

3．5．1 时间步长控制(Time-step controls)

3．5．2 压力求解方法(Pressure solver options)

3．5．3 动量对流方法(Momentum advection Methods)

3．6 求解步骤

3．6．1 前处理

3．6．2 求解计算

3．6．3 后处理

第四章 清水工况模拟及其改善措施分析

4．1 建模过程

4．1．1 模型创建

4．1．2 网格剖分

4．1．3 物理模型选择

4．1．4 边界条件设定

4．1．5 初始条件

4．1．6 数值选项

4．2 原方案计算结果及流场分析

4．2．1 方案一计算结果及分析

4．2．2 方案二计算结果及分析

4．2．3 方案三计算结果及分析

4．3 调整措施计算结果及流场分析

4．4 本章小结

第五章 浑水工况模拟及其改善措施分析

5．1 泥沙参数的选取

5．2 原方案设计工况下的河道泥沙沉积模拟

5．2．1 边界条件设置

5．2．2 浑水工况原方案模拟结果分析

5．3 调整措施工况下的河道泥沙沉积模拟

5．3．1 边界条件设置

5．3．2 浑水工况调整措施工况模拟结果分析

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 研究结论

6．1．1 模型试验方面

6．1．2 数值计算方面

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间取得的研究成果

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