引江济淮工程派河段多功能河道断面优化分析

摘要

作为大型跨流域调水工程——引江济淮利用的派河河道是沟通长江淮河流域流域水资源调配主要通道。有别于传统单一功能河道设计原则，派河段需满足溯向输水、开展航运、以及河道生态保护等多功能要求。相较于南水北调工程，引江济淮工程河道断面如何在确保工程安全运行和主体功能发挥的同时，进一步兼顾生态保护要求，是一项前人鲜有且具有一定研究意义的课题。本文完成主要研究工作如下:
　　(1)本文在收集和梳理引江济淮设计成果的基础上，调研和比较了输水、航运、生态河道断面的相关文献及设计规范。结合引江济淮派河段河道断面现状存在的不足，初步提出派河段多功能河道断面设计原则。依据上述设计原则并查阅派河段勘查资料，计算复核得到派河段多功能河道断面底宽及底高程。
　　(2)结合国内外多功能河道断面优化设计相关文献及工程应用经验，有别于传统直接经济成本最优设计方法。本文在此基础上构建了考虑河道边坡风险经济损失、生态成本的综合造价模型设计方法。依照综合造价模型最优原则，对满足多功能要求的河道断面的设计尺寸进行优化。
　　(3)查阅相关文献，影响边坡稳定影响因素很多。传统的安全系数法已无法精确对设计阶段边坡安全性进行估算。本文选取土体参数（自重、粘聚力、内摩擦角）沿深度方向分布规律不确定性作为边坡稳定性影响因素，通过可靠度理论中改进的一次二阶矩法及改进响应面法求解对应的边坡可靠度指标，鉴于国内外安全指标缺乏统一标准。本文基于上述可靠度指标给出河道边坡风险经济损失求解办法。从控制边坡可能失稳造成风险经济成本角度实现对于边坡安全性的设计。
　　(4)查阅大型水利工程建设对于生态环境影响相关文献，本文考虑运用生态补偿机制衡量引江济淮工程建设对于沿线生态环境的影响。给出派河段河道建设对应生态成本求解方法。
　　(5)借助MATLAB工作平台强大数据处理与编程能力，选取典型河道断面，建立对应的综合造价M文件。依据上述典型断面计算结果，结合地勘资料，选定施工期地下高水位及设计洪水位作为典型工况，运用大型有限元分析软件ABAQUS建立典型河道断面的三维模型。对计算结果进行分析，进一步论证本文基于综合造价方法进行优化的合理性。
　　本文通过确立多功能河道断面设计原则，选取符合设计原则河道断面型状并对选取上述断面尺寸进行初步计算。基于综合造价最优原则，运用本文构建的综合造价模型。实现对河道段断面初步设计尺寸进行调整优化。该综合造价模型实现了安全、经济、生态效益协调统一，可为今后的多功能河道设计及优化分析方法的研究提供参考。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 本文研究的背景

1．2 课题研究意义

1．3 国内外研究现状

1．3．1 多功能河道断面研究现状

1．3．2 跨流域调水工程生态补偿研究现状

1．3．3 水利工程工程造价研究现状

1．4 本文的主要工作和研究技术路线

1．4．1 本文主要工作

1．4．2 技术路线

第二章 多功能河道断面设计理论

2．1 河道断面工程

2．1．1 河道断面工程定义

2．1．2 河渠中心线选取

2．1．3 河道工程断面的基本分类

2．2 满足输水要求的断面工程设计

2．2．2 堤防工程

2．3．1 航道工程设计原则

2．3．3 航道设计尺度

2．4．1 生态河道内涵及其特征

2．4．2 生态河道的平面线型设计

2．4．3 生态河道断面设计

2．4．4 生态河道防护工程设计

2．5 引江济淮工程派河段功能河道断面设计研究

2．5．1 现状派河段河道断面存在的主要不足

2．5．2 引江济淮派河段河道断面优化原则

2．6 引江济淮工程派河段多功能河道断面初步设计

2．6．1 引江济淮工程派河段输水河道断面设计

2．6．2 引江济淮工程派河段通航设计尺度

2．6．3 引江济淮工程派河段多功能河道断面尺寸比选

2．7 本章小结

第三章 多功能河道断面的风险经济成本分析

3．1 多功能河道断面风险经济分析必要性

3．2 多功能河道断面边坡可靠度常用方法

3．3 多功能河道断面破坏型式搜索

3．4 河道断面边坡破坏概率的计算

3．4．1 河道边坡可靠度功能函数构建

3．4．2 改进一次二阶矩法求解边坡的可靠度指标

3．4．3 可靠度指标迭代计算的程序实现

3．5 河道断面风险经济模型构建

3．6 本章小结

第四章 多功能河道断面综合造价模型经济优化设计方法

4．1 河道断面的设计变量

4．2 多功能河道断面综合造价数学模型

4．2．1 多功能河道断面建设的生态补偿机制

4．2．2 河道建设土方挖填成本

4．2．3 河道防护工程成本

4．2．4 河道风险破坏经济损失

4．3 多功能河道断面成本模型外加约束条件

4．4 本章小结

第五章 工程实例应用研究

5．1 工程布局

5．2 地质概况

5．3 水文资料

5．4 派河段典型单元划分

5．5 典型断面的优化设计

5．5．1 肥西城关段至骆郢段(J18+800～31+070)

5．5．2 派河口至肥西城关段(J00+000～15+000)

5．5．3 肥西城关段(J15+300～18+800)

5．6 基于ABAQUS综合造价优化断面的边坡稳定性分析

5．6．1 数学模型

5．6．2 基本理论

5．6．3 模型参数的选取

5．6．4 有限元模型模型建立

5．7 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 本文研究工作的结论

6．2 今后研究展望

参考文献

攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况