论文摘要
动床河工模型被广泛运用于研究河道演变、水库泥沙淤积及河口海岸泥沙运动问题。时间比尺变态的存在对动床河工模型试验结果的可靠性产生显著的影响,特别是在非恒定流状态下。例如,时间比尺变态会造成洪水波向下传播的滞后,在模型中流量突然变化时产生与原型不相似的冲刷或淤积。本文以三峡工程上游引航道冲沙试验为例,运用二维浅水水流泥沙数学模型,模拟计算了原型中和实体模型中的冲沙过程,分析了时间比尺变态在模型试验中所带来的问题。由于大比例的实体模型规模较大,操作困难,研究中还使用了小比例的概化模型。数学模型也被用于研究概化模型中的冲沙过程。数学模型中计算的流场、水面线和泥沙冲刷量与实体模型中的测量值较为相似,证明数学模型可以较为准确地模拟原型、大比例实体模型和概化模型的冲沙过程,因此能用于分析其试验可靠性。数值模拟结果显示4000m3/s是最佳冲沙流量,使用数学模型比较了不同几何比尺变态率下的概化模型试验结果。根据实体模型的测量和数学模型计算,指出了冲沙模型试验中时间比尺变态造成的两个问题:模型中恒定流时长的比例与原型中不相似,以及实体模型中通过冲沙闸和冲沙隧洞下泄高浓度水流时间不足。提出了在模型试验中划分非恒定流与恒定流阶段的新方法,使实体模型试验可以更好地代表原型中的冲沙过程。延长了实体模型冲沙时间以补偿时间比尺变态造成的下泄高浓度水流不足的问题。概化模型的精度不仅受时间比尺变态的影响,也受糙率不相似的影响。提出了几条改进实体模型冲沙试验精度的措施。测量并计算了大比例实体模型和概化模型中延长冲沙时间对提高冲沙量的作用,建议将冲沙时间延长至422s可以最好地代表原型中的冲沙量。讨论了采用较大密度模型沙的可能性并计算了采用这几种模型沙的冲沙效果。松动冲沙可以修正长时间沉积后模型沙板结造成的冲沙量偏小。在实体模型中测量了此措施的效果,在数学模型中进行了计算。建议不同几何比尺变态率的概化模型加大糙率至不同程度以更好符合大比尺实体模型测量的水面线。