【摘要】：水庫異重流和溯源沖刷是多沙河流水庫中的典型水沙輸移過程,也是影響水庫淤積總量與淤積形態(tài)發(fā)展的重要物理過程。同時對于多沙河流水庫的泥沙管理而言,這兩種現(xiàn)象也是被不斷探索和利用的水庫排沙措施。目前對于水庫異重流與溯源沖刷現(xiàn)象在動力學(xué)機(jī)制上仍有認(rèn)識不足,模型發(fā)展現(xiàn)狀還不能滿足實(shí)際工程需要。在實(shí)際水庫排沙方案實(shí)施中,經(jīng)常將這兩種排沙措施綜合運(yùn)用,比如小浪底調(diào)水調(diào)沙過程中人工異重流的塑造。再加上干支流倒回灌作用,庫區(qū)內(nèi)會有多種水沙輸移狀態(tài)共存,數(shù)值模擬的難度加大。此外對于有典型二維特征的支流口門溯源沖刷,目前的數(shù)值模擬研究也很少。因此,建立合適的水沙數(shù)學(xué)模型對水庫異重流與溯源沖刷過程開展數(shù)值模擬研究,有助于研究和規(guī)劃綜合排沙措施,優(yōu)化多沙河流水庫調(diào)度方式。建立了考慮干支流倒回灌的水庫明流與異重流耦合模型。模型包括渾水明流和異重流兩組控制方程,基于考慮了干支流倒回灌影響的概化圣維南方程組推導(dǎo)。兩組方程交替求解,利用潛入判別條件動態(tài)確定異重流的上游邊界位置和邊界條件,以Godunov類型的有限體積法為數(shù)值解法。對于明流倒回灌,采用零維水庫法計(jì)算干支流交匯段控制單元的水位和倒回灌流量。對于異重流倒灌,推導(dǎo)了考慮底坡的異重流倒灌流量計(jì)算公式。公式形式表明,異重流倒灌流量隨支流口門異重流厚度和含沙量增大而增大,隨支流底坡增大而減小,并使用小浪底水庫異重流倒灌實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了公式驗(yàn)證。使用不同類型的異重流水槽實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行模型初步驗(yàn)證。以三門峽水庫異重流過程為研究對象,進(jìn)行了原型尺度下的模型率定和驗(yàn)證,運(yùn)用吸出層理論計(jì)算異重流到達(dá)壩前后的下邊界流量。模型比較準(zhǔn)確地預(yù)測了異重流潛入位置和傳播速度,預(yù)測的異重流厚度演化過程與排沙比與實(shí)測結(jié)果一致,因此模型能夠用于水庫排沙設(shè)施的設(shè)計(jì),優(yōu)化水庫排沙過程。應(yīng)用考慮干支流倒回灌的水庫明流與異重流耦合模型,對小浪底水庫2004年和2006年調(diào)水調(diào)沙進(jìn)行了全過程數(shù)值模擬。模型預(yù)測的水庫降水過程,異重流演化過程以及排沙效率與實(shí)測結(jié)果較好地吻合。通過比較采用不同倒回灌計(jì)算處理方式的模擬效果,證明了耦合明流、異重流、干支流倒回灌計(jì)算的必要性。對于一般的水庫排沙原則,模擬結(jié)果的啟示是：為了提高異重流排沙比,壩前水位應(yīng)盡量降低以減少異重流傳播距離,異重流形成后上游水庫應(yīng)及時釋放洪水來提供后續(xù)的動力。此外由模擬結(jié)果看出三角洲段的沖刷特征符合典型的溯源沖刷圖形,且模型計(jì)算的河床變形過程與溯源沖刷理論公式計(jì)算結(jié)果一致。改進(jìn)了淺水二維水沙耦合模型。為防止干濕界面上的虛假流動,對TVD-MUSCL數(shù)值重構(gòu)方法進(jìn)一步改進(jìn)。用數(shù)值重構(gòu)后的交界面底部高程來計(jì)算DFB地形源項(xiàng)處理方法中的交界面數(shù)值水深,并證明了此方法滿足well-balance特性。通過對溯源沖刷水槽實(shí)驗(yàn)的模擬證明了數(shù)值方法的穩(wěn)定性和模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。應(yīng)用改進(jìn)的淺水二維水沙耦合模型研究了現(xiàn)階段以及攔沙期結(jié)束后小浪底支流畛水口門的溯源沖刷現(xiàn)象。模擬結(jié)果表明,交匯區(qū)干支流河底高差對于支流口門溯源沖刷發(fā)展程度有決定性作用。利用支流洪水引發(fā)口門溯源沖刷的效果最好,連續(xù)降低庫水位的方式效果次之。
【圖文】：

圖２．１異重流縱剖面示意圖逡逑當(dāng)挾沙水流進(jìn)入水庫后，會在一定的水深，流速等條件下潛入庫內(nèi)水體下方沿庫逡逑底前進(jìn)，這種水下渾水流動被稱為異重流，見圖２．１。異重流的形成條件常被稱為潛逡逑入點(diǎn)判別條件。已有許多學(xué)者對異重流潛入點(diǎn)判別條件開展了理論和實(shí)驗(yàn)研究（范家逡逑駱等，１％９；邋Ａｋｉｙａｍａ邋ａｎｄ邋Ｓｔｅｆａｎ，１９８４；邋Ｆａｒｒｅｌｌ邋ａｎｄ邋Ｓｌｉｅｆａｎ，１９８６；邋Ｃａｏ，邋１９９２；邋Ｄｅ邋Ｃｅｓａｒｅ邋ｅｔ逡逑ａｌ．，２００１；ＬｅｅａｎｄＹｕ，，１９９７；焦恩澤，２００４；范家

本文編號：2580419