河口航道整治工程水动力及河床变形响应数值模拟研究

论文摘要

航道整治是借工程建筑规顺河岸、调整水流、达到要求的航道水深,使用最为广泛的包括(非淹没)丁坝、潜坝和挖槽等方式。但整治工程往往改变局部水流结构,形成较为复杂的水流流态,导致局部泥沙冲淤并引发新的冲淤发展、调整。但航道整治工程水动力响应及其对河床变形影响的研究较为分散,尚未形成较为系统、深刻的研究。因此,进行这方面的研究具有重大的现实意义。本文总结了数学模型的发展与研究现状,在前人研究基础上,建立三维数学模型,研究航道整治工程的水动力响应。通过对航道整治典型工程丁坝、潜坝、挖槽等进行模拟研究,分析航道工程引起的局部水位及流态、流速在三维空间上的变化特征。选择双方程紊流模型耦合二维水流和泥沙模型,讨论模型的紊流闭合、泥沙的沉降与起动、不平衡输沙模式下挟沙力级配等问题。运用数学模型模拟丁坝建设后河床变形特性及冲淤发展变化。同时还模拟了航槽开挖后推移质的运动,通过典型水流条件,分析航槽推移质淤积断面的形态以及变化规律,同时利用全沙模型模拟分析了水流垂直于航槽走向情况下的航槽冲淤变化。将泥沙模型应用于长江福姜沙水道双涧沙整治工程中,讨论模型中相关技术的处理,包括挟沙力分级、挟沙力公式的选取等。利用实测夏季大潮水流条件分析工程实施对工程区域流态、流速、水位的变化,并根据一个水文年资料计算分析工程建设后河床的冲淤变化。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 问题的提出及意义
• 1.2 数学模型研究发展简况
• 1.2.1 水流数值模型
• 1.2.2 泥沙数值模型
• 1.3 航道整治工程研究情况
• 1.4 本文主要研究内容
• 第二章 航道整治工程水动力响应三维数值模拟研究
• 2.1 三维水流数学模型
• 2.1.1 基本方程
• 2.1.2 紊流模型
• 2.1.3 拟合坐标系下方程转换
• 2.1.4 控制方程的离散求解
• 2.1.5 方程的定解条件
• 2.2 丁坝工程水动力特性
• 2.2.1 模型的建立与验证
• 2.2.2 丁坝对上下游流态的影响
• 2.2.3 丁坝对上下游水面的影响
• 2.2.4 丁坝对流速分布的影响
• 2.3 潜坝工程水动力特性
• 2.3.1 模型的建立与验证
• 2.3.2 潜坝对上下游流态的影响
• 2.3.3 潜坝对上下游水面的影响
• 2.3.4 潜坝对流速分布的影响
• 2.4 挖槽工程水动力特性
• 2.4.1 模型的建立与验证
• 2.4.2 挖槽对上下游流态的影响
• 2.4.3 丁坝对上下游水面的影响
• 2.4.4 挖槽对流速分布的影响
• 2.5 本章小结
• 第三章 航道整治工程泥沙数值模拟研究
• 3.1 泥沙数学模型
• 3.1.1 基本方程
• 3.1.2 方程组的闭合
• 3.1.3 非均匀沙模型
• 3.1.4 边界及边界条件
• 3.1.5 方程离散求解
• 3.2 丁坝水流泥沙数学模拟
• 3.2.1 紊流模型的选择
• 3.2.2 丁坝河床变形计算
• 3.3 航槽推移质运动数学模拟
• 3.3.1 航槽推移质运动特点
• 3.3.2 一种航槽与水流方向平行时推移质航槽淤积计算方法
• 3.3.3 航槽淤积的数值模拟计算
• 3.4 本章小结
• 第四章 泥沙模型在长江双润沙治理中的应用
• 4.1 工程河段自然条件
• 4.1.1 河段基本情况
• 4.1.2 水流特性
• 4.1.3 泥沙特性
• 4.2 数学模型的率定及验证
• 4.2.1 泥沙分级处理
• 4.2.2 水文条件选取
• 4.3 模型的验证
• 4.3.1 水流动力的验证
• 4.3.2 含沙量的验证
• 4.3.3 河形变形验证
• 4.4 工程方案介绍
• 4.5 工程区水动力的响应分析
• 4.5.1 工程对流态的影响
• 4.5.2 工程对各水道分流比的影响
• 4.5.3 工程对流速的影响
• 4.5.4 工程对水位的影响
• 4.6 工程区河床变化的响应分析
• 4.7 本章小结
• 第五章 结论与展望
• 5.1 主要结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢