（水力學(xué)及河流動(dòng)力學(xué)專(zhuān)業(yè)論文）航電樞紐下游河床沖淤變形對(duì)通航的影響研究.pdf

摘要 河流是人類(lèi)文明的搖籃 河流既需要開(kāi)發(fā) 又需要維護(hù) 在開(kāi)發(fā)河流賦予人們豐富 資源的同時(shí) 也要通過(guò)維護(hù)以減少這種開(kāi)發(fā)的負(fù)面效應(yīng) 建設(shè)航電樞紐 導(dǎo)致下游河床 沖淤變形 同時(shí)也影響了通航 為了使預(yù)期的目標(biāo)和遠(yuǎn)景規(guī)劃一致 就要研究樞紐下游 河床的變形對(duì)通航的影響 并有針對(duì)性地提出防護(hù)和治理對(duì)策 以保障上 下游以及河 流功能的整體和諧 河流系統(tǒng)是特定流域環(huán)境條件下的開(kāi)放型復(fù)雜系統(tǒng) 河床的調(diào)整是 與水文 泥沙過(guò)程 地貌環(huán)境 地質(zhì)組成相關(guān)的復(fù)雜行為 河床的調(diào)整與演變規(guī)律是科 學(xué)有效的整治措施的基礎(chǔ) 許多情況下還需要根據(jù)河段上出現(xiàn)的新現(xiàn)象提出不同常規(guī)的 整治措施 興修水庫(kù) 開(kāi)發(fā)水能是最常見(jiàn)的引起河床變形的人類(lèi)行為 水庫(kù)下游的河床 演變及整治一直是流域管理的核心問(wèn)題之一 也是有待深入研究的領(lǐng)域 本論文以嘉陵 江草街航電樞紐下游為對(duì)象 利用物理模型試驗(yàn)開(kāi)展相關(guān)的研究 研究樞紐下游局部沖 刷對(duì)河床的影響和不同頻率洪水下游河床沖淤變化對(duì)通航的影響 以及用商用軟件s m s 進(jìn) 行數(shù)值模擬計(jì)算 從而預(yù)測(cè)樞紐建成2 6 年后的下游河床沖刷情況 通過(guò)物理模型試驗(yàn)和 數(shù)學(xué)模型試驗(yàn)的結(jié)合使用 最后得出的結(jié)論是樞紐建成后普遍沖刷 使河槽加深 至此 導(dǎo)致的河床變形對(duì)通航影響很小 關(guān)鍵詞 航電根紐 河床演變 物理模型 數(shù)值模擬 a b s t r a c t t h er i v e r st h a tn e e dt od e v e l o pa n dm a i n t a i na r et h eh u m a nc u l t u r ec r a d l e w h i l et h er i v e r s d e v e l o p st o e n t r u s tw i t ht h ep e o p l et h er i c hr e s o u r c e s a l s om u s tr e d u c et h i sk i n do f d e v e l o p m e n tt h r o u g ht h em a i n t e n a n c e t h e n e g a t i v e e f f e c t t h en a v i g a t i o n e l e c t r i c i t y c o n s t r u c t s t h a tc a u s e st h ed o w n s t r e a mr i v e rb e dt of l u s ht h es i l tt od i s t o r t s i m u l t a n e o u s l ya l s o a f f e c th a sb e e no p e nt on a v i g a t i o nw i t ht h ee l e c t r i c i t yg e n e r a t i o n i no r d e rt oc a u s et h e a n t i c i p a t e dg o a la n dt h el o n g t e r mp l a n n i n gi sc o n s i s t e n t t h a th a dt os t u d yt h ek e yp o s i t i o n d o w n s t r e a mr i v e rb e dt h ed i s t o r t i o nt ob eo p e nt on a v i g a t i o nw i t ht h ee l e c t r i c i t yg e n e r a t i o n i n f l u e n c e a n dh a d p o i n t e du p s t r e a mp r o p o s e d t h e p r o t e c t i o na n dt h eg o v e r n m e n t c o u n t e r m e a s u r e s a f e g u a r d e d t h ed o w n s t r e a ma sw e l l a st h er i v e r sf u n c t i o nw h o l ea r e h a r m o n i o u s t h ef i v e rs y s t e mi su n d e rt h es p e c i f i cb a s i ne n v i r o n m e n t a lc o n d i t i o no p e n t y p e c o m p l e xs y s t e m a n dt h er i v e rb e da d j u s t m e n ti s a n dt h eh y d r o l o g y t h es i l tp r o c e s s t h e l a n d f o r me n v i r o n m e n t t h eg e o l o g i c a lf o r m a t i o nr e l a t e dc o m p l e xb e h a v i o r t h er i v e rb e d a d j u s t m e n ta n dt h ee v o l u t i o nr u l ea r et h es c i e n c ee f f e c t i v ei m p r o v e m e n tm e a s u r ef o u n d a t i o n s m a n ys i t u a t i o n sa l s on e e d st h en e wp h e n o m e n o nw h i c ha p p e a r sa c c o r d i n gt ot h es e c t i o no f r i v e ro nt op r o p o s et h ed i f f e r e n tc o n v e n t i o n a li m p r o v e m e n tm e a s u r e c o n s t r u c t i o no ft h e r e s e r v o i ra n dt h ed e v e l o p m e n th y d r oe n e r g yi sm o s tc o m m o nt h eh u m a nb e h a v i o rw h i c h c a u s e st h er i v e rb e dt od i s t o r ta n dt h er e s e r v o i rd o w n s t r e a mr i v e rb e de v o l u t i o na n dt h e i m p r o v e m e n ta l w a y si s o n eo fb a s i nm a n a g e m e n tc o r eq u e s t i o n s a l s oi ti st h ep e n d i n g t h o r o u g hr e s e a r c hd o m a i n t h ep r e s e n tp a p e rt a k et h ej i al i n gr i v e rg r a s ss t r e e tn a v i g a t i o n e l e c t r i c i t yk e yp o s i t i o nd o w n s t r e a m a st h eo b j e c t u s i n gt h ep h y s i c a lm o d e le x p e r i m e n t d e v e l o p m e n tr e l a t e dr e s e a r c h s t u d i e st h ek e yp o s i t i o nd o w n s t r e a mp a r t i a lw a s h o u tt h e i n f l u e n c ea n dt h ed i f f e r e n tf r e q u e n c yf l o o dd o w n s t r e a mr i v e rb e df l u s h e st h es i l tc h a n g et ot h e r i v e rb e dt ot h ei n f l u e n c ew h i c hi so p e nt on a v i g a t i o n a sw e l la sc a r r i e so nt h ev a l u ea n a l o g c o m p u t a t i o nw i t hc o m m e r c i a ls o f t w a r es m s t h u sf o r e c a s tt h ek e yp o s i t i o nc o m p l e t e s2 6y e a r a f t e rt h ed o w n s t r e a ms c o u r i n gs i t u a t i o n s t h r o u g ht h ep h y s i c a lm o d e le x p e r i m e n ta n dt h e m a t h e m a t i c a lm o d e le x p e r i m e n tu n i o nu s e a f t e rt h ec o n c l u s i o nw h i c hf i n a l l yo b t a i n si st h ek e y p o s i t i o nc o m p l e t e sw a s h e so u tg e n e r a l l y m a k e st h er i v e r b e dt od e e p e n h e r ec a u s e st h ef i v e r b e dd i s t o r t st oi so p e nt on a v i g a t i o nt h ei n f l u e n c et ob ev e r ys m a l l k e y w o r d s h y d r o p o w e rj u n c t i o np r o j e c t b e de v o l u t i o n p h y s i c a lm o d e l n u m e r i c a l s i m u l a t i o n 重慶交通大學(xué)學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明 所呈交的學(xué)位論文 是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下 獨(dú)立進(jìn)行研究工作所 取得的成果 除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外 本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā) 表或撰寫(xiě)過(guò)的作品成果 對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體 均已在文中以明確 方式標(biāo)明 本人完全意識(shí)到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān) 學(xué)位論文作者簽名 了蠆荔日期 螄年加多日 重慶交通大學(xué)學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書(shū) 本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留 使用學(xué)位論文的規(guī)定 同意學(xué)校保留并向 國(guó)家有關(guān)部門(mén)或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版 允許論文被查閱和借閱 本人授權(quán)重 慶交通大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部?jī)?nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索 可以采用影印 縮 印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文 同時(shí)授權(quán)中國(guó)科學(xué)技術(shù)信息研究所將本人 學(xué)位論文收錄到 中國(guó)學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù) 并進(jìn)行信息服務(wù) 包括但不限于匯編 復(fù)制 發(fā)行 信息網(wǎng)絡(luò)傳播等 同時(shí)本人保留在其他媒體發(fā)表論文的權(quán)利 學(xué)位論文作者簽名 乏玩 指導(dǎo)教師簽名 竺黑竺2 量 三竺強(qiáng) 三 本人同意將本學(xué)位論文提交至中國(guó)學(xué)術(shù)期刊 光盤(pán)版 電子雜志社c n k i 系列數(shù)據(jù) 庫(kù)中全文發(fā)布 并按 中國(guó)優(yōu)秀博碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù)出版章程 規(guī)定享受相關(guān)權(quán) 益 學(xué)位論文作者簽名 蕊 日期 力唧年r 月歹日 第一章緒論 第一章緒論 1 1 概述 草街航電概紐工程系嘉陵江干流合川至河口段自下而上渠化梯級(jí)開(kāi)發(fā)的第二級(jí) 是 一座具有航運(yùn) 發(fā)電 旅游等綜合效益的水運(yùn)水利樞紐工程 工程位于合川市草街鎮(zhèn)境 內(nèi) 壩址上游距合川市約2 7 k m 下游距嘉陵江河口重慶朝天門(mén)約6 8 k m 實(shí)施西部大開(kāi)發(fā) 加快中西部地區(qū)發(fā)展是中央的重大戰(zhàn)略決策 草街航電樞紐的建 設(shè)是實(shí)施西部大開(kāi)發(fā)加快中西部地區(qū)發(fā)展的具體實(shí)施 是建設(shè)嘉陵江戰(zhàn)略航道 實(shí)現(xiàn)嘉 陵江全線(xiàn)渠化的關(guān)鍵工程 草街航電樞紐的建設(shè)關(guān)系到嘉陵江高等級(jí)航道能否全線(xiàn)貫通 關(guān)系到嘉陵江流域以及整個(gè)西部地區(qū)通江達(dá)海通道的暢通 對(duì)于促進(jìn)西部地區(qū)的資源開(kāi) 發(fā) 擴(kuò)大對(duì)外交流 對(duì)于建設(shè)重慶航運(yùn)中心 緩解重慶市能源緊缺局面具有十分重要的 作用 草街航電樞紐工程工f 常蓄水位2 0 3 o o m 有效庫(kù)容2 3 9 2 億m 3 樞紐由裝機(jī)容量 為5 0 0 m w 電廠(chǎng)一座和尺度為1 8 0 m x 2 3 m x 3 5 m 通航2 1 0 0 0 t 級(jí)船隊(duì)的i i i 級(jí)船閘一座組成 由于該樞紐位于重慶合川市下游嘉陵江干流上 嘉陵江在此納涪江 渠江入?yún)R 有一閘 鎖三江之勢(shì) 在河流上興建水利樞紐 上游形成水庫(kù) 通過(guò)蓄水抬高上游水位 不僅可以獲取發(fā) 電效益 而且可以達(dá)到淹沒(méi)上游險(xiǎn)灘 增加上游航道通航水深 改善通航條件的目的 是綜合利用水資源的一項(xiàng)重大舉措 然而水利樞紐的建成和運(yùn)行 將白邊河流的天然屬 性 對(duì)其產(chǎn)生一定的影響 由于水庫(kù)攔截大量的泥沙 清水 下瀉將使水庫(kù)下游河床出 現(xiàn)長(zhǎng)距離 長(zhǎng)時(shí)段的沖刷與河床調(diào)整 伴隨水位下降 將可能帶來(lái)新的礙航淺灘段 因 此 進(jìn)行水利樞紐下游河床演變分析 對(duì)下游河床沖刷做出預(yù)估 對(duì)河道的防洪和航均 有很大的意義 本研究將以 嘉陵江草街航電樞紐下游沖刷變形對(duì)通航發(fā)電的影響 為項(xiàng)目依托 開(kāi)展研究壩下游局部沖刷和不同頻率洪水下游河床沖淤變化對(duì)通航的影響 在進(jìn)一步用 商用軟件 m s 進(jìn)行數(shù)學(xué)模型計(jì)算預(yù)測(cè) 1 2 研究現(xiàn)狀及存在問(wèn)題 河床演變的學(xué)科性質(zhì)決定了它應(yīng)當(dāng)是從工程技術(shù)的角度 考慮河流在較長(zhǎng)期內(nèi)但又 不是歷史時(shí)期的調(diào)整過(guò)程 因?yàn)樵诰唧w研究中分工過(guò)細(xì) 所承擔(dān)的任務(wù)往往只涉及一個(gè) 河段或者一個(gè)地區(qū) 工程技術(shù)人員容易注意局部河段而忽略流域整體 容易看到眼前而 忽略較長(zhǎng)期的變化 正是由于這個(gè)原因 目前關(guān)于具體河段河床演變的研究比較多 這 些研究為解決實(shí)際問(wèn)題而開(kāi)展的目的比較明確 收集的野外觀(guān)測(cè)資料比較豐富 利用泥 沙運(yùn)動(dòng)和河床演變基本原理所進(jìn)行的分析也比較深入細(xì)致 某些研究在理論概括和定量 分析上還做了某些有益的嘗試 這些 充分反映了河床演變研究中重視第一手資料 重 視在天然河流上直接研究天然河流的優(yōu)良傳統(tǒng) 但是必須同時(shí)看到 針對(duì)某一類(lèi)型普遍 現(xiàn)象的討論及規(guī)律總結(jié)不多 這說(shuō)明盡管具體河段河床演變分析已在大多數(shù)場(chǎng)合指導(dǎo)了 三 第一章緒論 實(shí)踐 但是進(jìn)一步的理論概括和經(jīng)驗(yàn)集成還不夠 這就不能不反過(guò)來(lái)嚴(yán)重影響河床演變 理論水平的提高 在學(xué)科發(fā)展的過(guò)程中 關(guān)于這些普遍規(guī)律的總結(jié)主要體現(xiàn)在河流自調(diào) 整機(jī)理 河型分類(lèi) 各類(lèi)河型演變特性 河相關(guān)系等方面 當(dāng)前之所以對(duì)這些方面認(rèn)識(shí) 比較深入 是在長(zhǎng)期觀(guān)測(cè)資料累積的基礎(chǔ)上 對(duì)普遍現(xiàn)象深入總結(jié)的結(jié)果 而對(duì)于水庫(kù) 下游水沙變化后的河床演變 由于資料相對(duì)較少 規(guī)律總不多 實(shí)際上 當(dāng)前河流普遍 受到人類(lèi)干擾 河床演變的迫切任務(wù)是預(yù)測(cè)水沙變化條件下的演變趨勢(shì) 包括河床的橫 向 縱向沖淤 以及由此引起的斷面形態(tài)變化 河型與河勢(shì)的調(diào)整等 這是防洪 航運(yùn) 等各方面的要求 隨著水庫(kù)下游沖刷演變現(xiàn)象的普遍出現(xiàn) 國(guó)內(nèi)外學(xué)者逐漸開(kāi)始對(duì)此展 開(kāi)調(diào)查研究 k o n d o l f 討論了水庫(kù)攔沙和人工采沙引起的河床下切 河型轉(zhuǎn)化乜1 n i c o l a s u r i a n 調(diào)查了意大利河流上普遍出現(xiàn)的河床下切和縮窄現(xiàn)象u 1 s h i e l d s 討論了水庫(kù)下 游的河道橫向擺動(dòng)機(jī)理 并利用航片定量分析了美國(guó)m i s s o u r i 河下游建壩前后的河道擺 動(dòng)情況h 1 國(guó)內(nèi)先后在官?gòu)d水庫(kù) 三門(mén)峽水庫(kù)和丹江口水庫(kù)開(kāi)展了較大規(guī)模的測(cè)驗(yàn)工作 對(duì)工程影響下的演變過(guò)程取得了大量的實(shí)測(cè)資料 對(duì)水庫(kù)下游的再造床過(guò)程的問(wèn)題 地 學(xué)界和水利學(xué)界從觀(guān)測(cè)資料分析 試驗(yàn)?zāi)M等多個(gè)方面開(kāi)展了研究 探討了庫(kù)下游河道 沖淤變化 斷面形態(tài)調(diào)整 河床地貌再造等方面的變化規(guī)律 以下分縱向和橫向變化 對(duì)當(dāng)前研究現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié) 在河道上修建水利樞紐以后 其下游河床將發(fā)生兩種不同類(lèi)型的沖刷 第一是對(duì)于 含沙量較小的河流 修建水庫(kù)后 由水流的紊動(dòng)性加大 使壩下原處于臨界狀態(tài)的泥沙 起動(dòng)機(jī)率增加 隨著流程的增加又由于邊界條件的制約 水流逐漸趨于平穩(wěn) 起動(dòng)的一 部份泥沙停止運(yùn)動(dòng) 使壩下游的一部份河段產(chǎn)生沖刷 另一部份河段產(chǎn)生淤積 當(dāng)受水 流紊動(dòng)影響較大的近壩河段泥沙沖刷平衡后 淤積河段挾沙能力轉(zhuǎn)化為主要矛盾時(shí) 整 個(gè)河段才轉(zhuǎn)為沖刷 第二是對(duì)于含沙量較大的流 由于修建水庫(kù) 使大量泥沙淤積于庫(kù) 內(nèi) 改變了水庫(kù)下游河流含沙特性 引起下游河道的再造床過(guò)程 而引起長(zhǎng)距離沖刷 現(xiàn)有研究成果在揭示水庫(kù)下游河道水沙變化及河床沖刷特性等方面進(jìn)行了大量的研究工 作 然而在機(jī)理方面研究則不足關(guān)于水利樞紐下游河床沖刷現(xiàn)象主要有 河床自上而下普 遍沖刷 含沙量顯著降低 河床顯著粗化 縱比降調(diào)整等方面 同樣的水沙條件變化 對(duì)于不同的河床邊界可能造成不同的響應(yīng) 而且這種響應(yīng)由于沖刷歷時(shí)的長(zhǎng)短也可能動(dòng) 態(tài)變化 關(guān)于這種動(dòng)態(tài)性 一般的研究認(rèn)為水庫(kù)下游河床與水沙條件兩者之間的不適應(yīng) 性在建庫(kù)初期達(dá)到最大 因此 河床變形也以初期最為顯著 并因時(shí)遞減沖刷過(guò)程中 隨著河床及岸灘抗沖特性的變化 形態(tài)調(diào)整也產(chǎn)生變化 根據(jù)w l i a m s 等對(duì)美國(guó)河流的 統(tǒng)計(jì)畸1 截流后初期河床下切沖刷幅度最大 之后隨著河床粗化和比降調(diào)平 沖刷幅度逐漸 減緩 許炯心以同流量的清水沖刷原始河床來(lái)模擬建庫(kù)后的河床沖刷 發(fā)現(xiàn)初期以下切 為主 之后出現(xiàn)以側(cè)蝕為主的階段 寬深比先減后增 1 對(duì)于縱剖面比降的變化 一般資 料均顯示是初期以近壩段河床迅速調(diào)平為特征 之后逐漸向下游緩慢發(fā)展口1 水庫(kù)下游的 調(diào)整在趨向平衡的過(guò)程中 還會(huì)因?yàn)樗臈l件的變化出現(xiàn)問(wèn)歇性的變緩和加速現(xiàn)象 完 第一章緒論三 全達(dá)到平衡狀態(tài)甚至需要上百年時(shí)間啊1 從減小挾沙能力和流量調(diào)平兩種作用來(lái)看 文獻(xiàn) 陽(yáng)1 認(rèn)為 在建庫(kù)初期以減小水流能量而引起的河床變形為主 而隨著時(shí)間延續(xù) 斷面形態(tài) 逐漸向適應(yīng)調(diào)節(jié)后的流量過(guò)程發(fā)展 河床沿程沖刷的深度受到泥沙補(bǔ)給條件 河床抗沖性變化等的影響 隨著河床沖刷 的進(jìn)行 下伏卵石層可能會(huì)逐步暴露 或者床沙粗化形成保護(hù)層 從而對(duì)河床調(diào)整過(guò)程 產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響 埃及尼羅河上阿斯旺水壩修建以后 大壩下游河段實(shí)際上觀(guān)察到的下 切深度僅為0 7 m 比不同的研究者所預(yù)測(cè)的數(shù)值 2 0 8 5 m 都要小得多 等認(rèn)為這與河 床以下埋藏著不連續(xù)的卵石層有關(guān) 許炯心運(yùn)用地貌學(xué)方法對(duì)漢江丹江口水庫(kù)下游河床 調(diào)整過(guò)程中下伏卵石層的作用進(jìn)行了系統(tǒng)的分析 下伏卵石層使河床下切受到抑制 隨 著卵石層的暴露 河床糙率將急劇增大 局部河床可能采取加大比降的方式進(jìn)行補(bǔ)償 關(guān)于水庫(kù)下游沖刷發(fā)展的預(yù)測(cè) 目前存在著概念型模型 機(jī)理型模型等兩類(lèi) 概念 型模型通過(guò)大量觀(guān)測(cè)資料建立各影響因素與河床縱剖面或沖刷深度之間的關(guān)系 具有一 定預(yù)測(cè)功能但經(jīng)驗(yàn)性強(qiáng) 機(jī)理型模型也叫數(shù)學(xué)模型 是通過(guò)求解描述河床沖刷過(guò)程的封 閉方程組得到?jīng)_淤的沿程變化 目前得到了大量應(yīng)用 在三峽論證過(guò)程中 對(duì)下游長(zhǎng)河 段沖淤發(fā)展的預(yù)測(cè)即采用了這種方法 雖然數(shù)學(xué)模型是水流運(yùn)動(dòng) 泥沙輸移和河床變形 方程為基礎(chǔ)的 但其中仍存在經(jīng)驗(yàn)成分 對(duì)于含沙量恢復(fù) 河床粗化過(guò)程的模擬 還需 要借助一些經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ胶蛥?shù) 計(jì)算機(jī)性能的快速提高和數(shù)值計(jì)算技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了數(shù)學(xué) 模型的推廣 由于不僅能夠提供河床變化的最終幅度 而且能夠詳細(xì)描述出沖淤在空間 上的分配以及時(shí)間上的發(fā)展過(guò)程 數(shù)學(xué)模型在大壩下游河床變形預(yù)測(cè)中得到了大量應(yīng)用 毛繼新 韓其為 町根據(jù)泥沙起動(dòng)及河床粗化理論公式 建立了水庫(kù)下游河床粗化數(shù)學(xué)模 型 以研究水庫(kù)下游河道極限沖刷深度及粗化層級(jí)配 該模型計(jì)算簡(jiǎn)捷方便 對(duì)研究水 庫(kù)下游局部河段沖刷 具有重要意義 在實(shí)際應(yīng)用方面 張耀新等通過(guò)建立一維非恒定 懸沙數(shù)學(xué)模型 對(duì)贛江萬(wàn)安水電站下游河床沖刷的發(fā)展趨勢(shì)及其對(duì)航道的影響進(jìn)行了預(yù) 報(bào)計(jì)算和分析n 李義天 高凱春應(yīng)用一 二維嵌套水流泥沙數(shù)學(xué)模型對(duì)三峽建庫(kù)后宜 昌至沙市河段河床沖刷及其對(duì)卵石淺灘的影響進(jìn)行了數(shù)值模擬研究 水庫(kù)下游的橫向變形涉及主流擺動(dòng) 河勢(shì)變化 河寬尺度 河道曲率 河型的調(diào)整 等 橫向調(diào)整可能威脅沿岸工程設(shè)施 但又對(duì)維持生態(tài)多樣性起著重要作用 河流橫向 的穩(wěn)定性和變化規(guī)律是許多領(lǐng)域研究的焦點(diǎn) 包括河流地貌學(xué)界 河流工程界 河流生 態(tài)學(xué)界等 一般地說(shuō) 修建水利樞紐以后各種條件的變化是有利于使下游河道朝較為穩(wěn) 定的方向轉(zhuǎn)化的 流量過(guò)程的調(diào)平和比降的減緩 將使河道的輸沙強(qiáng)度減弱 下泄沙量的 減少將使原來(lái)的堆積型河道轉(zhuǎn)為侵蝕下切 灘槽高差的加大和床沙的粗化 將增加河床的 抗沖能力 這些都是有利于削弱河道演變強(qiáng)度的 然而 河型是否能發(fā)生轉(zhuǎn)化 還取決 于清水下泄的過(guò)程 歷時(shí)長(zhǎng)短和復(fù)雜多樣的區(qū)域邊界條件 同樣的水沙條件變化 對(duì)于 不同的河床邊界可能造成不同的響應(yīng) 而且這種響應(yīng)由于沖刷歷時(shí)的長(zhǎng)短也可能動(dòng)態(tài)變 化 s h i e l d s 曾對(duì)美國(guó)m i s s o u r i 河上f o r t p e c kd a m 下游的側(cè)向變化與各因素進(jìn)行了相 4 第一章緒論 關(guān)分析 建庫(kù)后橫向調(diào)整速度與寬度 距離大壩距離緊密相關(guān) b e g i n 從理論上分析 隨 著水流能量增加 低能量順直微彎河流發(fā)生側(cè)蝕而趨于蜿蜒 隨著能量進(jìn)一步增加 河 流動(dòng)力半徑增大 凸岸邊灘遭切割 曲率將重新減小而趨于分漢游蕩 當(dāng)前的研究對(duì)于 解釋水庫(kù)下游出現(xiàn)的復(fù)雜河床變形有一定的幫助 結(jié)合各種影響因素的變化過(guò)程 以及 河流自身特有的邊界條件和平面形態(tài)特征 深入研究水庫(kù)下游動(dòng)態(tài)變化過(guò)程中的一般性 規(guī)律還是十分必要的 河床整治的發(fā)展先于河床演變 這是由實(shí)際生產(chǎn)要求決定的 在 我國(guó) 以堤防及護(hù)岸工程為主要手段的治河工程早就發(fā)展起來(lái) 歐美的河床整治則是以 發(fā)展航運(yùn)為先導(dǎo) 傳統(tǒng)的河道整治目的在于影響河勢(shì)及水流流態(tài) 所要實(shí)施的傳統(tǒng)性工 作是將有代表性的河流參數(shù)如河道走向與坡降 深度 寬度 流速 調(diào)整到實(shí)際要求的標(biāo) 準(zhǔn) 水庫(kù)修建后 河床受到劇烈的沖刷 破壞了河流的平衡 引起了下游沖積河流的再 造床作用 對(duì)防洪 航運(yùn) 灌溉 灘地利用等很多方面帶來(lái)了一系列的影響 很多情況 下 應(yīng)該預(yù)防或至少應(yīng)該控制這些影響 所以對(duì)不利的演變進(jìn)行防護(hù)和采取適當(dāng)?shù)难a(bǔ)救 措施是必要的 整治工程正是通過(guò)人工作用來(lái)改變河床邊界 從而改變水沙條件和河床 邊界可動(dòng)性的對(duì)比關(guān)系 達(dá)到防護(hù)的目的 修建整治工程以后 形成不可沖動(dòng)的硬邊界 必然加強(qiáng)邊界對(duì)水流的控導(dǎo)作用 如果工程的布置符合挾沙水流的運(yùn)動(dòng)規(guī)律 則河道將 向穩(wěn)定的方向發(fā)展 由此看來(lái) 通過(guò)總結(jié)已建成工程經(jīng)驗(yàn)和一些河流動(dòng)力學(xué)原理 分析 和預(yù)測(cè)不同情況下河床的演變規(guī)律 不但是對(duì)工程下游演變利弊評(píng)判的前提 也是防護(hù) 措施合理可行的保證 大壩下游的河床縱向調(diào)整 最常見(jiàn)的是不斷發(fā)展的長(zhǎng)距離刷深 河床劇深不僅是高水頭大壩下游常見(jiàn)的現(xiàn)象 而且對(duì)低水頭徑流式水電站的下游河道也 有很大的威脅 哪 國(guó)內(nèi)外一些河流在防沖 穩(wěn)定河勢(shì)等方面積累了一定經(jīng)驗(yàn) 這些方法 采用不同方式抑制河床的刷深 通過(guò)設(shè)堰或潛壩奎水產(chǎn)生回流影響而減小流速 通過(guò)使用 強(qiáng)度足以抵抗進(jìn)一步侵蝕的粗粒物質(zhì)覆蓋河床使河床人工粗化 人工投放與水流輸沙能 力 即相應(yīng)顆粒尺度和輸沙率 一致的泥沙 例如密西西比河上所采取的措旌是在河道薄 弱處 如河灣外側(cè) 鋪設(shè)鉸接混凝土墊層 以穩(wěn)定河勢(shì) 并保證最小航深 該方案約從1 8 年起開(kāi)始實(shí)施 采用編織柳條席摯 利用石頭沉入河底來(lái)抵御湍急的水流 穩(wěn)定河床 水庫(kù)修建后 對(duì)沿程水面比降以及水流流態(tài)的影響是首當(dāng)其沖的 河流適于航行必須要 滿(mǎn)足一定的必要條件 如來(lái)水能夠滿(mǎn)足規(guī)定的通航保證率 最小水深 水流流速 流態(tài) 都要在規(guī)定的范圍 河道沖刷造成下游水位下降過(guò)大 影響壩下通航建筑物的正常使用 如水位下降使得引航道口門(mén)相對(duì)過(guò)高 會(huì)出現(xiàn)船舶擦底現(xiàn)象等等 陳一梅 李奕瓊u 糾定 性和定量地分析了水位下降對(duì)船閘出口門(mén)檻水深的影響 建議在船閘設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮 蓄水后壩下沖深水位下跌的幅度 針對(duì)目前己建船閘出口門(mén)檻水深不足的情況 建議在 窄深處選擇合適的地點(diǎn)修筑潛壩抬高水位 或則采用非工程措施 改變水庫(kù)調(diào)度 增加 船閘出口門(mén)檻水深 以保證船閘下游河段正常航行 在對(duì)于葛淵壩樞紐下游水位變化的 研究中 清華大學(xué) 長(zhǎng)江科學(xué)院等單位對(duì)此做了初步的研究 針對(duì)葛洲壩樞紐至虎牙灘 第一章緒論三 河段進(jìn)行了正態(tài) 變態(tài)物理模型實(shí)驗(yàn)研究以及一些數(shù)模計(jì)算 3 1 提出了葛洲壩船閘閘檻 水深及下引航道枯水航深不足問(wèn)題 可在窄深河槽中修筑潛壩以抬高上游水位的措施來(lái) 解決 此外 清華大學(xué)還提出了壩下游河道人工加糙 回填凹坑方案 即在深槽河段回 填卵石等材料 以增大河床水流阻力 減小過(guò)水?dāng)嗝婷娣e 除了研究三江下引航道水深 的工程措施外 長(zhǎng)科院則還提出了一些非工程措施 嚴(yán)禁在宜昌至枝城河段開(kāi)采砂石骨料 改善三峽水庫(kù)調(diào)度 即在枯水期最低水位出現(xiàn)期間 增大下泄流量5 0 0 m 3 s 左右 提高枯 季水位 補(bǔ)償下游沖刷的影響 由于航道對(duì)河道 水流等要求的嚴(yán)格性 在沖刷劇烈 河床組成復(fù)雜的河段如何針對(duì)出現(xiàn)的復(fù)雜演變問(wèn)題采取有效 可行性強(qiáng)的防護(hù)措施保證 通航等多方面要求是值得進(jìn)行進(jìn)一步深入研究的課題 在水庫(kù)下游河道沖刷和變形方面 我國(guó)已經(jīng)進(jìn)行了大量的原型觀(guān)測(cè)和分析研究 很多學(xué)者對(duì)水庫(kù)下游的河床演變規(guī)律進(jìn)行 了分析總結(jié) 其中有代表性的成果為水利水電科學(xué)研究院河渠所對(duì)官?gòu)d水庫(kù)下游永定河 1 8 2 0 錢(qián)寧乜卜2 引 錢(qián)寧和麥喬威 1 李保如和華正本乜4 1 麥喬威和趙業(yè)安瞄1 劉月蘭和張 永昌 劉月蘭和韓少發(fā) 許炯心嘶1 等對(duì)三門(mén)峽水庫(kù)下游黃河 韓其為和童中均乜7 1 許炯 心但哪3 賈銳敏口 長(zhǎng)劉東生和熊明b 2 1 等對(duì)月 江口下游漢江 均做了全面深入研究 此外 韓其為 陸永軍 李義天等 1 對(duì)三峽工程建成后長(zhǎng)江中游河床演變及其對(duì)葛洲壩樞紐下 游近壩段水位與航道影響 林振大臼鉑對(duì)拓溪水庫(kù)日調(diào)節(jié)時(shí)下游河道 王秀云和施祖蓉等 對(duì)水庫(kù)下游永寧江感潮河段 以及李任山 朱明聽(tīng)對(duì)鬧得海水庫(kù)下游柳河等也都進(jìn)行了 相當(dāng)研究 對(duì)于水庫(kù)下游河道沖刷和變形中的幾個(gè)專(zhuān)門(mén)問(wèn)題 均有較深刻的成果和規(guī)律 性的揭示 對(duì)下游河道清水沖刷時(shí)床沙粗化 尹學(xué)良給出了相應(yīng)的計(jì)算方法 韓其為口踟 提出了交換粗化現(xiàn)象和兩種機(jī)理 并且給出了詳細(xì)的計(jì)算方法 對(duì)于水庫(kù)的水沙過(guò)程及 數(shù)量改變后對(duì)下游河床演變的各方面的影響 韓其為 童中鈞也都專(zhuān)門(mén)做了論述 錢(qián)寧 研究了灘槽水沙交換現(xiàn)象 認(rèn)為其是導(dǎo)致水庫(kù)下游河道沖刷距離較長(zhǎng)的基本原因 這些 成果對(duì)于現(xiàn)在和將來(lái)的航道整治都是值得借鑒的 1 2 1 水庫(kù)下游河床演變規(guī)律 水庫(kù)對(duì)水沙條件的顯著改變之一體現(xiàn)在含沙量的明顯減少 河流的泥沙輸移能力由 水流決定 但實(shí)際的輸移量卻與河床的實(shí)際組成有關(guān) 由于下泄 清水 水流將通過(guò)沿 程沖刷達(dá)到沙量的補(bǔ)給 河床組成決定河床的泥沙補(bǔ)給能力 河床上泥沙越細(xì) 河床的 可沖性就強(qiáng) 床面下降較多 相反 對(duì)于山區(qū)型河流 床面多為卵石粗沙等推移質(zhì) 河 床的可沖性就差 床面的下降幅度就小 河道的沖刷 將引起河床粗化 河床粗化過(guò)程 隨原河床組成的不同而有不同的特點(diǎn) 河床為卵石夾沙時(shí) 粗化過(guò)程進(jìn)行的迅速而明顯 在沖刷過(guò)程中 沙粒被沖走 卵石逐漸集聚于床面 形成阻止沖刷發(fā)展的抗沖粗化層 河床為細(xì)砂組成時(shí) 其粗化過(guò)程與上述情況不完全相同 它的粗化是在沖刷過(guò)程中因懸 沙和床沙的交換而造成的 因此 粗化發(fā)展沒(méi)有那么迅速 但河床逐年變粗的現(xiàn)象是很 明顯的 沙質(zhì)河床的粗化會(huì)使河床糙率增加 也會(huì)使水流挾沙能力減少 盡管它不像沙 卵石河床那樣形成抗沖粗化層而遏制河床的沖刷下切 但由于水流挾沙能力的降低 河 6 第一章緒論 床沖刷速度將會(huì)明顯減慢 沖刷也會(huì)受到限制 目前 大量的水庫(kù)在不同河流上興建和使用 它們下游的沖刷演變體現(xiàn)了不同河床 組成在 清水 下泄情況下的演變情況 對(duì)于河床抗沖性較強(qiáng)的河段 以葛洲壩下游的 蘆家河河段為例 近四十年來(lái) 蘆家河河段岸線(xiàn)穩(wěn)定 其主要原因是河岸大部分由抗沖 性較強(qiáng)的基巖質(zhì) 土石質(zhì)或硬土質(zhì)組成 河槽與債壩近年來(lái)比較穩(wěn)定 年際間沖淤基本 平衡 這也與其河床組成有關(guān) 債壩心灘主要由卵石組成 灘面平整 枯水期裸露于江 中 枯水期的河床地形 基本上反映了卵石層面的形態(tài)特征 盡管每年年內(nèi)河床有沖有 淤 由于卵石的遏制作用 在年際之間沒(méi)有大幅度的沖淤變化 蘆家河河段年內(nèi)的變化 規(guī)律是漲水淤積 退水沖刷 淤積厚度在平面上的分布隨主流位置而變 年內(nèi)河床沖淤 變化 也影響到河床組成的變化 河床組成的平面分布及其沿時(shí)間的變化 也是河床演 變的寫(xiě)照 而 清水 下泄造成的床面粗化則可從葛洲壩樞紐運(yùn)用頭幾年的情況中得到 反映 1 9 8 0 年至1 9 8 8 年 床沙中值粒徑d 5 0 逐年粗化的規(guī)律十分明顯 1 9 8 1 年至1 9 8 5 年 歷年5 月及1 0 月的中值粒徑逐年變粗 1 9 8 5 年以后變化不大 至1 9 8 8 年3 月 d 5 0 仍為0 2 5 4 m m 這一變化j 下是葛洲壩樞紐運(yùn)用致使下游河段產(chǎn)生沖刷 床沙粗化的表現(xiàn) 水庫(kù)下游懸沙和床沙之間的不等量交換 已被許多觀(guān)測(cè)資料所證實(shí) 如丹江口下游1 9 7 4 年皇莊與仙桃兩站間各組粒徑泥沙沖淤情況顯示 兩站間總沖刷量為7 5 3 萬(wàn)t 但d 0 1m m 的淤下1 5 3 萬(wàn)t n 引 這個(gè)粗化過(guò)程沿程發(fā)展緩慢 所以含沙量恢復(fù)緩慢 沖刷距離可以達(dá)到很長(zhǎng) 襄陽(yáng) 皇莊 仙桃站建庫(kù)前的中值粒徑 分別為0 1 5 0 1 2 0 1 i m m 1 9 8 0 年分別為0 8 2 0 1 8 0 1 3 m m 1 9 8 5 年粗化為1 0 8 2 0 2 4 0 1 5 m m 這說(shuō)明距離壩址較遠(yuǎn)的位置床面粗化比較緩慢 從沿程沖刷幅度來(lái)看 除黃家港至光華段沖刷達(dá)2 1 8 m 之外 其他河段沖深均在0 5 1 m 之間 沖刷深度并不大 沖刷的發(fā)展速度也要視不同河床組成而異 卵石夾沙組成的河床 其沖刷發(fā)展十分迅速 如官?gòu)d水庫(kù)下游河道僅 r 年內(nèi)便完成沖刷而達(dá)到穩(wěn)定 細(xì)沙組成的河床 其開(kāi)始階段 的沖刷過(guò)程也是十分迅速的 以后才逐漸減緩 直至達(dá)到相對(duì)平衡為止 如紅山水庫(kù)蓄 水運(yùn)用6 7 年內(nèi)下游河道的一般沖刷發(fā)展迅速 很快達(dá)到距壩約1 5 0 k m 的范圍 尤其是 在5 0 k m 左右范圍內(nèi)沖刷更為顯著 往后的沖刷過(guò)程逐漸減緩 水庫(kù)下游河床變形可分為 三個(gè)階段 沖刷階段 回淤階段 平衡 或接近平衡 階段 至于這三個(gè)階段中前兩個(gè)階段 的長(zhǎng)短 在各個(gè)水庫(kù)可能差別很大 例如水庫(kù)淤積時(shí)間很長(zhǎng)的蓄水水庫(kù) 前兩個(gè)階段均 較長(zhǎng) 而對(duì)于淤積時(shí)間很短的水庫(kù) 前兩個(gè)階段很短 至于第三個(gè)階段 一般可能很長(zhǎng) 常常要維持到來(lái)水來(lái)沙條件發(fā)生新的變化 例如上游修建新的水庫(kù) 為止 在第一 二階 段 特別是清水沖刷階段 常常與天然河道河床演變差別很大 而使河道發(fā)生一些帶根 本性的變化 因此是研究的重點(diǎn) 水庫(kù)蓄水初期 由于庫(kù)內(nèi)淤積下泄沙量常常很低 甚至下泄清水 下游河道一般發(fā) 生沖刷 沖刷常常是長(zhǎng)時(shí)間 長(zhǎng)距離的 水庫(kù)對(duì)下游的影響主要是通過(guò)下游的再造床作 用的一系列演變引起的 例如沖刷引起的河床整體下切 沖刷引起的灘槽演化 沖刷引 第一章緒論 三 起的側(cè)向沖蝕和河道擺動(dòng) 河床下切引起的支流侵蝕基準(zhǔn)面變化和漢道分流分沙變化問(wèn) 題 水沙條件的變化甚至引起河型的轉(zhuǎn)化 例如 黃河三門(mén)峽水庫(kù)控制了進(jìn)入黃河下游 水量的8 9 和沙量的9 8 其攔沙運(yùn)用期洪峰流量大幅度削減 中水流量續(xù)時(shí)間延長(zhǎng) 流 量過(guò)程趨于均勻 含沙量明顯降低 床沙質(zhì)泥沙淤積在水庫(kù)內(nèi) 細(xì)顆粒泥沙進(jìn)入下游河 道 下游河道的沖刷自上而下發(fā)展 在京廣鐵路橋以上 河段在沖刷發(fā)展過(guò)程中受南岸 鄺山的約束 河床沖刷以縱向下切為主 河道斷面趨于窄深 京廣鐵路橋段 河床邊界 控制性差 河床以展寬為主 主槽縱向下切 漢河干涸 沙洲出露 水流集中形成單一 河槽 漢江丹江口水庫(kù)從1 9 5 9 年底截流 1 9 6 0 1 9 6 7 年為滯洪運(yùn)用 水庫(kù)對(duì)水量調(diào)節(jié)作 用不大 僅起削峰作用 滯洪重點(diǎn)淤粗排細(xì) 懸沙級(jí)配變細(xì)加大了下游河道的水流挾沙 能力 使滯洪一開(kāi)始河道就受到?jīng)_刷 1 9 6 8 年以后為蓄水運(yùn)用期 蓄水后水量受到調(diào)節(jié) 首先洪峰流量削減 枯水流量增大 年內(nèi)流量變幅減小 且由暴漲暴落型變?yōu)檩^長(zhǎng)時(shí)段 內(nèi)變幅不大的流量過(guò)程 其次是懸移質(zhì)和推移質(zhì)泥沙大部分被攔截在庫(kù)內(nèi) 出庫(kù)多年平均 含沙量?jī)H0 0 3 0 k g m 3 為建庫(kù)前多年平均含沙量2 9 2 k g m 3 的l 水庫(kù)下泄水流基本上 為清水 下游河道劇烈沖刷 且河道沖刷部位逐步下移 上段沖刷量不斷減小 沖刷最 強(qiáng)烈的河段不斷下移 從1 9 8 0 年左右丹江口水庫(kù)下游河道資料看 茨河以上由于河床粗 化 懸移質(zhì)沖刷基本上被遏制 沖刷較強(qiáng)烈的河道向下移至茨河至皇莊段 沖刷沿時(shí)間 和河長(zhǎng)都是持續(xù)的 蓄水后黃家港至皇莊 碾盤(pán)山 段年年均沖刷 皇莊至仙桃除沒(méi)有資料 的年份及1 9 7 5 年襄陽(yáng)至皇莊間因唐白河特大洪水帶來(lái)了很多泥沙 使皇莊略有淤積外 其他各年均沖刷 各年的沖刷量變化不大 黃家港至阜莊大都在8 0 0 2 8 0 0x1 0 t 之間 水庫(kù)修建后 下游河道沖刷 同 n 站的含沙量較建庫(kù)前大幅降低 丹江口建庫(kù)前后 下游各站含沙量發(fā)生較大變化 滯洪期較建庫(kù)前有所減少 建庫(kù)后又較滯洪期大為降低 建庫(kù)前含沙量由上游至下游沿程遞減 滯洪期規(guī)律較為混亂 建庫(kù)后含沙量由上游至下 游沿程遞增 丹江口水庫(kù)出庫(kù)站黃家港含沙量?jī)H為建庫(kù)前的1 其他如襄陽(yáng) 皇莊 仙 桃也只有建庫(kù)前的8 一4 3 口1 可見(jiàn)含沙量的減少是很大的 這種現(xiàn)象在官?gòu)d水庫(kù)下游永 定河沖刷階段也很突出表現(xiàn)出來(lái) 例如在距壩1 8 6 m 的石佛寺站同期含沙量只有建庫(kù)前的 2 4 7 8 舊1 造成樞紐下游河道含沙量顯著降低的原因 除了由于樞紐的攔蓄作用使出庫(kù) 水流含沙量顯著減少外 還與下游河道的沿途補(bǔ)給條件和水流挾沙力的變化有關(guān) 就沖 瀉質(zhì)而言 雖然水流挾帶這部分泥沙的能力很大 基本上都能向下游輸送 但是 由于 這種泥沙大量被水庫(kù)攔截 而下游沿途又無(wú)足夠的補(bǔ)給 特別是灘地沖刷殆盡后更無(wú)補(bǔ) 充的可能 因而其含沙量顯著減小 就床沙質(zhì)而言 由于水庫(kù)的削峰作用使下泄調(diào)平和 減少 加之下游河床的粗化和比降減緩 使水流挾沙力較建庫(kù)前降低 因而含沙量隨之 減小 特別是沖刷達(dá)到基本平衡后 床沙質(zhì)的補(bǔ)給將越來(lái)越少 其含沙量將更顯著減少 1 2 2 河道沖刷的物理模型方法 草街航電樞紐為一大型綜合利用航電樞紐工程 涉及樞紐布置 泄洪能力 航運(yùn)條 件 電站引水防沙 閘下消能防沖 水庫(kù)泥沙等方面的多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題 為減小模型 第一章緒論 縮尺影響 研究問(wèn)題更能直觀(guān)反映工程前后的實(shí)際情況 模型按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì) 采 用正態(tài)實(shí)體模型 結(jié)合模型場(chǎng)地和供水能力的實(shí)際情況 模型平面比尺采用入l 8 0 通 過(guò)動(dòng)床模型試驗(yàn)測(cè)得流速流量關(guān)系和地形特征來(lái)進(jìn)一步研究 1 2 3 河道沖刷的數(shù)學(xué)模型方法 使得在數(shù)學(xué)模型計(jì)算過(guò)程中將計(jì)算河段和時(shí)間劃分得比較細(xì) 從而可大幅度提高計(jì) 算精度 其次 它可以根據(jù)實(shí)測(cè)資料對(duì)模型進(jìn)行反復(fù)調(diào)試 正確地選擇計(jì)算模式及參數(shù) 以確保計(jì)算結(jié)果的合理性 而且 它還可以在短時(shí)間內(nèi)計(jì)算出多方案 便于分析比較有關(guān) 河道沖刷的模擬方法啪刪 目前實(shí)踐中較成熟的可分為數(shù)學(xué)模型和物理模型兩類(lèi) 它們各 有優(yōu)缺點(diǎn) 物理模型相對(duì)成熟 具有直觀(guān) 概念簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn) 在模型設(shè)計(jì)及運(yùn)行方面也 積累了極為豐富的經(jīng)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)成果可靠 但物理模型往往要占用巨大的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地 耗費(fèi) 大量設(shè)備 材料和人力 費(fèi)用高 物理模型的建造難以滿(mǎn)足模型在外界條件變化時(shí)多方案 比較的要求 就是設(shè)法改建模型進(jìn)行多方案的比較 其周期也相當(dāng)長(zhǎng) 另外 為了滿(mǎn)足 場(chǎng)地要求 模型一般做成變態(tài)模型 而變態(tài)模型在比尺選取上存在一些問(wèn)題至今仍未解 決 數(shù)學(xué)模型具有投資少 周期短 靈活性大且不受場(chǎng)地及儀器設(shè)備限制等優(yōu)點(diǎn) 近幾 十年來(lái) 數(shù)學(xué)模型獲得了長(zhǎng)足發(fā)展 首先隨著計(jì)算機(jī)貯存量增大 計(jì)算速度的加快 從 而選擇最佳方案 一維數(shù)學(xué)模型 3 4 明一般用于研究長(zhǎng)河段長(zhǎng)時(shí)期的河床變形 在理論及實(shí) 踐上都比較成熟 國(guó)內(nèi)外使用很普遍 二維數(shù)學(xué)模型主要用于研究短河段短時(shí)期的河床 變形 經(jīng)用野外實(shí)測(cè)資料檢驗(yàn) 己能近似反映實(shí)際情況 現(xiàn)在比較常見(jiàn)的方法是一維 二維嵌套進(jìn)行河段沖淤模擬h 6 刪對(duì)于水庫(kù)下游極限沖刷深度計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式 國(guó)際泥沙研 究中心周志得利用2 6 條河流壩下游沖刷的資料的資料 建立了深漲最大沖刷深度與建壩 前后多年平均洪峰流量變化的關(guān)系 它可用來(lái)粗估壩下游河床深亂的沖刷深度 采用的 判斷指標(biāo)為 a l 一 g q o 2 式 1 1 其中q 為天然情況下多年平均洪峰流量 q 為建庫(kù)后多年平均洪峰流量 當(dāng)q 0 q 時(shí) 表明水庫(kù)對(duì)水流沒(méi)有產(chǎn)生影響 壩下游不會(huì)產(chǎn)生沖刷 即當(dāng)口 0 時(shí) 沖刷下切 z 0 1 3 本文的研究?jī)?nèi)容和方法 1 3 1 研究?jī)?nèi)容 研究樞紐下游局部沖刷對(duì)通航的影響 研究不同頻率洪水下游河床沖淤變化對(duì)通航的影響 通過(guò)s m s 商用軟件進(jìn)行數(shù)值模擬 計(jì)算2 6 年末的河床變化 1 3 2 研究方法 數(shù)學(xué)模型發(fā)展的歷史并不長(zhǎng) 但隨著近年來(lái)計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展 利用數(shù)學(xué)模型 進(jìn)行河流模擬的效率和精度也大大提高 數(shù)值計(jì)算已逐漸成為一個(gè)重要的研究手段 但 模型試驗(yàn)也是研究航電樞紐下游河床沖淤變形的非常重要途徑 以理論分析為基礎(chǔ) 用 第一章緒論 9 一 模型試驗(yàn)和數(shù)學(xué)模型成果進(jìn)行理論驗(yàn)證是本文的主要研究方法 在模型實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上 通過(guò)測(cè)下游流速 結(jié)合理論和實(shí)踐 進(jìn)行深層次分析 l o 第二章河段的白然條件及草街樞紐概況 第二章河段的自然條件及草街樞紐概況 2 1 河段自然條件 2 1 1 河道特點(diǎn) 嘉陵江是長(zhǎng)江上游左岸的一條主要支流 發(fā)源于陜西風(fēng)縣東北的秦嶺山脈 經(jīng)陽(yáng)平 關(guān)入四川 南流至四川廣元市的昭化接納白龍江 在閬中市和南部縣境內(nèi)分別有東河和 西河匯入 經(jīng)南充武勝至渠河咀與渠江匯合 于重慶境內(nèi)合川市又接納涪江形成扇形水 系 過(guò)合川后流經(jīng)背斜地層 形成窄深河谷 自東南流經(jīng)北碚抵重慶市主城區(qū)于朝天門(mén) 匯入長(zhǎng)江 干流全長(zhǎng)1 1 2 0 k m 總落差2 3 0 0 m 平均比降為2 0 5 流域面積1 5 9 8 0 0 k m 2 占長(zhǎng)江流域的9 2 1 2 水文泥沙特性 工程河段為嘉陵江下游段 河道由丘陵進(jìn)入川東山區(qū)峽谷地帶 具有典型的山區(qū)河 流特征 河道彎曲 寬谷相間 水流湍急 水量豐富 特別是在其上游合川納涪江 渠 江入?yún)R后水量大增 據(jù)北碚水文站實(shí)測(cè)資料統(tǒng)計(jì) 該河段最大流量為4 4 8 0 0 m 3 s 最小流 量2 4 4m 3 s 最大流量為最小流量的1 8 3 6 倍 變差系數(shù)c v 在o 3 以上 說(shuō)明嘉陵江河 段洪水來(lái)流量變化較大 見(jiàn)表2 1 嘉陵江7 天洪量占1 5 天洪量的6 6 說(shuō)明嘉陵江洪 峰流量變幅大 嘉陵江一般枯水在1 2 月到次年3 月 中洪水期在4 月到1 1 月份 枯水 流量小 洪水期暴雨集中 來(lái)水主要集中在汛期 據(jù)北碚水文站統(tǒng)計(jì)6 月至1 0 月平均來(lái) 流量占全年來(lái)流量的7 5 2 可見(jiàn)嘉陵江河段年內(nèi)水量分配極不均勻 表2 1北碚水文站不同頻率洪峰流量計(jì)算成果表 項(xiàng)目洪峰流量m 3 s 均值2 4 6 0 0 參數(shù) c o 3 6 c c 2 5 0 0 2 7 1 7 0 0 0 0 5 6 7 1 0 0 計(jì)0 1 6 3 4 0 0 0 2 5 9 7 0 0 算 1 5 0 8 0 0 值 5 4 1 1 0 0 1 0 3 6 5 0 0 2 0 3 1 4 0 0 第二章河段的自然條件及草街樞紐概況旦 2 1 3 河段地形特征 嘉陵江重慶段長(zhǎng)1 5 4 m 為嘉陵江中下游段 其中合川至重慶9 5 k m 處于下游段 河道 由丘陵進(jìn)入川東山區(qū)峽谷地帶 樞紐河段上游有鬼見(jiàn)愁峽谷 牛鼻孔峽谷 下游白羊背 峽谷和瀝鼻峽等狹谷 河道彎曲 灘潭相間 兩岸石咀石梁比比皆是 樞紐布置在牛鼻 孔 象鼻子和草街三個(gè)連續(xù)彎道上 由于處于連續(xù)彎道 彎道水流特征明顯 在樞紐上 游河段又有筏平石 方家石磐 三聰?shù)缺姸嗍荷烊虢?汛期水流紊亂 泡漩洶涌 河段兩岸為基巖構(gòu)成 河床為基巖和沙卵石組成 河床及河岸穩(wěn)定 2 2 草街航電樞紐工程概況 2 2 1 工程布置 草街航電樞紐工程是一座以航運(yùn) 發(fā)電為主 兼具灌溉和旅游等綜合效益的樞紐工 程 樞紐建筑物主要由船閘 泄洪閘 沖砂閘 河床式電站廠(chǎng)房等組成 電站裝設(shè)四臺(tái) 機(jī)組總裝機(jī)容量為5 0 0 m w 根據(jù)選定壩址的地質(zhì)條件和地形條件 考慮樞紐建筑物的特點(diǎn)和各種綜合因素 設(shè) 計(jì)單位擬定了三個(gè)樞紐布置方案即 1 左廠(chǎng)房 左船閘方案 2 左船閘 右廠(chǎng)房方案 3 左廠(chǎng)房 右船閘方案 綜合樞紐河段地形 地質(zhì) 施工難易及投資等多種因素 在工 程可行性研究報(bào)告審查意見(jiàn)中 推薦采用方案一即左船閘 左廠(chǎng)房為初步設(shè)計(jì)方案 本 階段水工模型試驗(yàn)亦以該方案作為試驗(yàn)的基礎(chǔ) 該方案主要建筑物由船閘 電廠(chǎng)和泄水閘 等組成 從左至右依次為船閘 電站主副廠(chǎng)房 沖砂閘 泄洪閘 固定壩段等建筑物 現(xiàn)對(duì)各主要建筑物特征分述如下 船閘 船閘為i i i 級(jí) 閘室有效尺寸為1 8 0 m x 2 3 r e x 3 5 m 上閘首為主要擋水建筑物 長(zhǎng)4 5 m 頂高程為2 2 2 5 0 m 上閘首門(mén)檻高程為1 8 9 2 5 m 閘室長(zhǎng)1 8 0 m 寬2 3 m 閘墻頂 高程2 0 7 8 0 m 閘室底高程1 7 4 o o m 下閘首長(zhǎng)4 5 m 頂高程與閘墻一致 上引航道長(zhǎng)約3 6 0 m 采用對(duì)稱(chēng)型布置 依次布置了1 8 0 m 導(dǎo)航段 1 6 0 m 調(diào)順段然 后以r 6 7 0 m 半徑向左偏轉(zhuǎn)與上游主河道相接 引墻頂高程2 0 7 8 0 m 引航道底高程 1 8 9 2 5 m 引航道口門(mén)寬7 8 m 下引航道亦呈對(duì)稱(chēng)型布置 同樣由導(dǎo)航段 調(diào)順段 停泊 段組成 引墻頂高程為2 0 6 7 0 m 內(nèi)導(dǎo)墻長(zhǎng)約4 6 0 m 外導(dǎo)墻長(zhǎng)約3 4 0 m 口門(mén)寬7 8 m 下 引航道底高程為1 7 4 o o m 船閘輸水型式 采用側(cè)墻長(zhǎng)廊道兩區(qū)段縱支廊道頂縫加消能蓋 板出水型式 船閘上游最高通航水位 根據(jù) 船閘總體設(shè)計(jì)規(guī)范 j t j 3 0 5 2 0 0 l 的要求 采用洪水頻率1 0 的水位 其相應(yīng)流量為3 6 5 0 0 m 3 s 相應(yīng)上游最高通航水位為2 0 6 1 4 m 下游最高通航水位采用相應(yīng)頻率1 0 的相應(yīng)