水利樞紐水動(dòng)力泥沙模擬

序

前言

符號(hào)表

章 緒論 1

1.1 引言 1

1.2 國內(nèi)外研究概況 3

1.2.1 水庫泥沙淤積與防治 3

1.2.2 樞紐下游河床演變與治理 5

1.2.3 水動(dòng)力泥沙及河床演變模擬 10

參考文獻(xiàn) 12

第2章 梯級(jí)水庫泥沙淤積與河床演變 19

2.1 徑流變化特征 19

2.1.1 單庫運(yùn)行 19

2.1.2 聯(lián)合運(yùn)行 27

2.2 水庫輸沙特性 32

2.2.1 梯級(jí)水庫輸沙特性 32

2.2.2 梯級(jí)水庫聯(lián)合運(yùn)行的影響 37

2.3 水庫淤積與河床演變 38

2.3.1 水庫淤積變化 38

2.3.2 淤積形態(tài)與演變 46

2.3.3 水庫排沙調(diào)度 50

參考文獻(xiàn) 56

第3章 水利樞紐下泄非恒定流與河床演變 58

3.1 徑流特性變化 58

3.1.1 徑流變化一般特性 58

3.1.2 樞紐調(diào)節(jié)引起的日內(nèi)流量變化 60

3.2 樞紐下泄非恒定流傳播規(guī)律 73

3.2.1 日調(diào)節(jié)波的衰減 73

3.2.2 附加比降 75

3.2.3 水位流量關(guān)系 76

3.2.4 日調(diào)節(jié)波變形 77

3.3 泥沙輸移特性變化 79

3.4 樞紐調(diào)節(jié)引起的下游河床演變規(guī)律及水位降落 84

3.4.1 樞紐下游斷面形態(tài)調(diào)整 84

3.4.2 樞紐下游縱比降調(diào)整 88

3.4.3 河勢(shì)與淺灘演變規(guī)律變化 95

3.4.4 河床平面形態(tài)變化及河道穩(wěn)定性分析 97

3.4.5 日調(diào)節(jié)波對(duì)河床演變的影響 99

3.4.6 樞紐下游同流量水位降落 100

參考文獻(xiàn) 102

第4章 梯級(jí)水庫泥沙數(shù)值模擬技術(shù) 103

4.1 梯級(jí)水庫水沙數(shù)值模擬研究進(jìn)展 103

4.2 一維非恒定水沙數(shù)學(xué)模型 105

4.2.1 數(shù)學(xué)模型基本方程及解法 105

4.2.2 懸移質(zhì)計(jì)算重要參數(shù) 108

4.2.3 卵石推移質(zhì)計(jì)算方法 113

4.3 數(shù)學(xué)模型的驗(yàn)證 115

4.3.1 三峽水庫驗(yàn)證 115

4.3.2 溪洛渡與向家壩水庫驗(yàn)證 120

4.4 金沙江下游梯級(jí)水庫模擬計(jì)算 122

4.4.1 烏東德水庫泥沙數(shù)值模擬計(jì)算 123

4.4.2 白鶴灘水庫泥沙數(shù)值模擬計(jì)算 126

4.4.3 溪洛渡水庫泥沙數(shù)值模擬計(jì)算 130

4.4.4 向家壩水庫泥沙數(shù)值模擬計(jì)算 133

參考文獻(xiàn) 136

第5章 水利樞紐下泄非恒定流沖淤數(shù)值模擬技術(shù) 138

5.1 水沙數(shù)值模擬研究進(jìn)展 138

5.1.1 一維水沙數(shù)學(xué)模型 138

5.1.2 二維水沙數(shù)學(xué)模型 140

5.1.3 三維水沙數(shù)學(xué)模型 144

5.2 一維非恒定水沙數(shù)學(xué)模型 146

5.2.1 基本方程 146

5.2.2 初始條件和邊界條件 147

5.2.3 基本方程的離散 147

5.2.4 關(guān)鍵問題的處理 149

5.2.5 模型驗(yàn)證——以兩壩間河段水沙驗(yàn)證為例 152

5.3 二維非恒定水沙數(shù)學(xué)模型 160

5.3.1 控制方程 160

5.3.2 數(shù)值計(jì)算格式 163

5.3.3 邊界條件及動(dòng)邊界技術(shù) 166

5.3.4 計(jì)算方法 167

5.3.5 關(guān)鍵問題的處理 167

5.3.6 模型驗(yàn)證 170

5.4 三維非恒定水沙數(shù)學(xué)模型 182

5.4.1 控制方程 183

5.4.2 紊流隨機(jī)理論模型的參數(shù)及特點(diǎn) 185

5.4.3 定解條件 188

5.4.4 水流控制方程的離散及求解 194

5.4.5 模型驗(yàn)證 200

參考文獻(xiàn) 211

第6章 水庫（樞紐）泥沙物理模型模擬技術(shù) 217

6.1 水庫泥沙物理模擬研究進(jìn)展 217

6.2 模型相似律 219

6.2.1 水流定床模型試驗(yàn) 219

6.2.2 推移質(zhì)泥沙模型 220

6.2.3 懸移質(zhì)泥沙模型 220

6.2.4 模型設(shè)計(jì)條件 221

6.3 幾個(gè)關(guān)鍵問題討論 221

6.3.1 模型變率的 221

6.3.2 時(shí)間變態(tài) 223

6.3.3 懸移質(zhì)含沙量比尺的選取 224

6.3.4 動(dòng)床沖淤驗(yàn)證試驗(yàn) 226

6.4 重力相似偏離問題 227

6.4.1 概述 227

6.4.2 模型設(shè)計(jì) 228

6.4.3 重力相似條件偏離對(duì)彎道水流運(yùn)動(dòng)的影響 231

6.4.4 重力相似條件偏離對(duì)彎道河床變形的影響 233

6.5 常用模型沙密實(shí)過程及對(duì)起動(dòng)流速的影響 240

6.5.1 電木粉 240

6.5.2 煤粉 247

6.6 竹粉模型沙的研制 255

6.6.1 物理特性 255

6.6.2 運(yùn)動(dòng)特性 257

參考文獻(xiàn) 261

第7章 水利樞紐變動(dòng)回水區(qū)和壩區(qū)泥沙淤積及影響 264

7.1 長江三峽水庫壩區(qū)泥沙淤積及對(duì)航道影響 264

7.1.1 三峽工程概況 264

7.1.2 模型設(shè)計(jì) 264

7.1.3 模型驗(yàn)證 270

7.2 黃河劉家峽水庫庫區(qū)末端泥沙淤積及對(duì)航道影響 277

7.2.1 劉家峽水庫概況 277

7.2.2 模型設(shè)計(jì) 278

7.2.3 模型驗(yàn)證 281

參考文獻(xiàn) 293

第8章 水利樞紐下游河床沖淤與航道治理 294

8.1 金沙江梯級(jí)水庫下游重點(diǎn)灘段河勢(shì)及航道條件變化 295

8.1.1 河道概況及泥沙特性 295

8.1.2 向家壩下游二維水沙數(shù)學(xué)模型的建立與驗(yàn)證 296

8.1.3 金沙江梯級(jí)水庫下游河道沖淤 298

8.1.4 重點(diǎn)淺灘河勢(shì)變化及對(duì)航道條件的影響 301

8.2 長江葛洲壩樞紐下游水位變化對(duì)船閘與航道影響及治理措施 308

8.2.1 近壩段水位變化對(duì)通航影響分析 308

8.2.2 宜昌枯水位下降及治理措施 319

8.2.3 胭脂壩護(hù)底及壩頭保護(hù)工程對(duì)抑制宜昌枯水位下降的效應(yīng) 346

8.3 西江中游長洲樞紐下游航道治理措施 350

8.3.1 河道概況及水文泥沙特性 350

8.3.2 長洲樞紐下游水流及河床變形驗(yàn)證 352

8.3.3 長洲樞紐下游界首灘河段整治措施 357

8.3.4 長洲樞紐下游三灘河段整治措施 359

8.3.5 長洲樞紐下泄非恒定流對(duì)界首灘及三灘河段航深的影響 362

8.4 松花江大頂子山樞紐下游非銜接段淺灘治理措施 363

8.4.1 河道概況及水文泥沙特性 363

8.4.2 非銜接段淺灘整治中需要考慮的問題 366

8.4.3 大頂子山樞紐下游非銜接淺灘段航道條件分析及整治措施 368

8.4.4 大頂子山樞紐下游非銜接淺灘段整治工程試驗(yàn)成果分析 372

參考文獻(xiàn) 3762100433B

本書系統(tǒng)分析了水利樞紐庫區(qū)泥沙淤積、壩下河床調(diào)整與航道治理等問題，揭示了水庫輸沙特性與樞紐下泄非恒定流的沖淤機(jī)理及河床演變規(guī)律，提出了水庫泥沙數(shù)值模擬與物理模型模擬技術(shù)、樞紐下泄非恒定流沖淤數(shù)值模擬技術(shù)。研究成果已經(jīng)直接應(yīng)用于長江、黃河、西江、漢江、松花江、嘉陵江等河流，并已得到了三峽、葛洲壩、劉家峽等水利樞紐工程實(shí)踐的檢驗(yàn)。

為掌握張峰水庫水沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律, 水庫泥沙觀測(cè)內(nèi)容包括庫區(qū)淤積變化、出庫泥沙變化。

1) 庫區(qū)泥沙淤積觀測(cè)項(xiàng)目。

庫區(qū)淤積測(cè)驗(yàn)的內(nèi)容包括:

庫容變化、庫區(qū)沖淤數(shù)量、分布和形態(tài)及其粒徑組成。目的是通過淤積測(cè)驗(yàn)資料分析, 了解水庫有效庫容的損失以及泥沙淤積在不同水、沙條件和運(yùn)用條件下的變化規(guī)律, 以制定水庫合理地調(diào)水、調(diào)沙方案。

2) 出庫泥沙觀測(cè)項(xiàng)目。

通過出庫水文站水沙測(cè)驗(yàn)成果和庫區(qū)泥沙淤積量觀測(cè)成果對(duì)比分析, 掌握每年入、出庫的泥沙總量并進(jìn)行水沙量平衡計(jì)算, 進(jìn)一步核定實(shí)際排沙比, 確定出庫泥沙級(jí)配, 以掌握水庫不同運(yùn)行方式下的排沙效果。因此, 出庫懸移質(zhì)測(cè)驗(yàn)的主要內(nèi)容除了測(cè)定流量外, 還必需測(cè)定水流含沙量。懸移質(zhì)泥沙測(cè)驗(yàn)包括斷面輸沙率和單沙測(cè)驗(yàn)。

主要測(cè)驗(yàn)項(xiàng)目有: 出庫懸移質(zhì)輸沙率、含沙量、顆粒級(jí)配等。泥沙觀測(cè)方法及斷面布設(shè)庫區(qū)泥沙淤積觀測(cè)

水庫泥沙觀測(cè)的任務(wù)是，掌握：①各測(cè)驗(yàn)斷面的含沙量、輸沙量；②泥沙顆粒級(jí)配；③含沙量沿垂向與橫向分布情況；④泥沙運(yùn)行與水深、流量、流速的關(guān)系；⑤沖刷、淤積部位與數(shù)量；⑥淤積物性質(zhì)；⑦異重流運(yùn)動(dòng)規(guī)律；⑧異重流排沙效果以及泄流設(shè)施因底坎高程不同的分沙作用等。

中國自20世紀(jì)50年代開始進(jìn)行水庫泥沙的觀測(cè)和研究，采取了野外觀測(cè)與試驗(yàn)研究相結(jié)合的辦法。在觀測(cè)方面，己有一套行之有效的組織和實(shí)施方法，并開始應(yīng)用同位素和光電含沙量儀、光電顆粒分析儀等觀測(cè)分析儀器。在研究方面，基本掌握了水庫泥沙淤積和異重流運(yùn)動(dòng)的規(guī)律。通過水庫泥沙觀測(cè)和三門峽水利樞紐工程的改建和探索運(yùn)用，逐步探索出一套“蓄清排渾”運(yùn)用方式，為解決多泥沙河流上水庫規(guī)劃建設(shè)和長期使用問題提供了實(shí)踐依據(jù)。已能對(duì)水庫不同條件下的沖淤變化和異重流排沙進(jìn)行定量的預(yù)估。

20世紀(jì)80年代以來，美國、法國等國家利用遙感技術(shù)和水下地形儀研究河道輸沙、沖淤，水庫湖泊懸移質(zhì)含沙量分布和水庫淤積位置及過程等，取得了有一定價(jià)值的資料。