三峡蓄水后太平口水道滩槽演变机理及趋势研究

论文摘要

太平口水道是长江中游重点碍航水道。荆州长江公路大桥横跨其上,在靠近两岸的南北两汊均布设了通航桥孔,2000年左右原南汊航槽严重淤积,2012年后杨林矶边滩下移挤压北汊,这一自然变化过程与大桥通航孔设置的冲突十分明显,随着非设计通航桥孔防撞设施的修建,冲突有所缓解,但是未根本解决。本文开展了以下工作。第一,本文基于黎曼算子的有限体积法,应用局部时间步长技术和整体最大时间步长技术,建立了计算效率高的太平口水道水沙与河床耦合数学模型,经过了理想算例、典型水槽实验数据和太平口水道实测流速、水位和汊道分流比的验证。第二,本文基于沙市站水沙通量长时间系列数据,分析了三峡蓄水后太平口水道的新水沙条件特征。第三,本文应用数学模型和三峡蓄水后十余年实测数据,完整分析并成功数值模拟了三峡蓄水后太平口水道的关键滩槽演变与航道条件转换过程。第四,本文基于太平口水道最新的实测地形,考虑了六种可能的未来来水来沙条件组合,研究了未来水沙条件下的可能演变趋势,提出了整治建议。第五,本文开展了分汊河道稳定性研究,模拟了窜沟的形成和发展过程。本文取得的主要结论如下。1)针对Sanders（2008）局部时间步长技术潜在的不稳定性,本文提出在干湿界面和动静界面处一定范围内消除时间步长空间差异,在不同LTS层级条件下均得到了稳定的计算结果;结合整体最大时间步长计算地形冲淤,提出的Hybrid LTS/GMaTS极大地提高了水沙床数值模拟的计算效率（对于太平口水道的应用:计算耗时缩减82%-91%,达到5.6-10.6倍的加速效果）。2)沙市站水沙通量长时间数据分析显示:三峡蓄水后,上游来沙大幅减少,中水流量历时增多、而大水和小水减少,太平口水道河床明显下切且发生粗化。河演分析和数值模拟研究表明:新水沙条件和南槽水流增强是起因,腊林洲边滩中部是核心,三八滩被动响应。三峡蓄水后太平口水道以“腊林洲边滩中部滩体持续冲刷下延、下部滩体淤涨,逐年平顺于水流走向”为演变主线开展了全局性的滩槽演变适应过程。南北汊主支两度易位都是围绕着这一演变主线发生的,河道演变趋势是向着南汊占优发展的,然而2005年大水过程和2010年异常暴雨洪水延缓了南汊发展的速度,北汊趁机成为了过渡主汊。太平口水道实施的系列航道整治工程发挥了应有的守护作用,却难以逆转南北汊主支交替这一河道演变趋势。分析认为,太平口水道在三峡蓄水后十余年间可能已经初步完成了滩槽调整,并在建立新的动态平衡。3)未来的可能演变趋势表明,杨林矶边滩继续冲刷下移挤压北汊,甚至今后会长时间以水下浅滩的形式存在于北汊入口,影响北汊通航;北汊沿岸1#槽显示出了作为临时通航槽的潜能,以冲刷为主;杨林矶边滩若被挖除,北汊入流条件将得到改善。本文建议,短时间内可依靠疏浚和开通沿岸1#槽,维持北汊通航,并适时加固桥墩,以备不时之需;改造或重建大桥是较为长远的整治方案;挖除杨林矶边滩可能有利北汊,但需物模辅助研究。4)分汊河道稳定性研究表明,窜沟的生成和发育、出现位置都是与特征流量紧密相关的,且窜沟生成和发育的特征流量的量级在一定程度上取决于滩体的平面形态。

论文目录

致谢

摘要

Abstract

1 绪论

1.1 研究背景及目的

1.2 国内外研究现状

1.2.1 长江中下游航道数学模型

1.2.2 长江中下游分汊河道

1.3 本文研究工作

1.3.1 研究内容

1.3.2 创新点

1.3.3 章节安排

2 数学模型

2.1 控制方程

2.2 经验关系式

2.2.1 阻力坡度计算

2.2.2 分粒径组泥沙沉降和上扬通量计算

2.2.3 分粒径组泥沙水流挟沙力计算

2.2.4 活动层模式

2.3 数值算法

2.3.1 计算网格

2.3.2 有限体积法离散控制方程

2.3.3 通量、源项和时间步长计算

2.4 模型验证

2.4.1 理想无摩阻溃坝算例

2.4.2 溃坝水流流经建筑群实验算例

2.4.3 突然展宽水槽溃坝算例

2.4.4 太平口水道模拟适用性验证

2.5 本章小结

3 新水沙条件特征与河道演变机理:数学模拟与河演分析

3.1 新水沙条件特征分析

3.1.1 三峡蓄水前后径流量、输沙量与流量属性特征值年际变化

3.1.2 三峡蓄水前后径流量、输沙量年内分布变化

3.1.3 三峡蓄水后河道整体响应分析

3.1.4 本节小结

3.2 关键河道演变过程:数学模拟

3.2.1 南汊淤积严重、北汊2#槽初具雏形（2005-2007年间）

3.2.2 南汊岸线逐年平顺、北汊发展成熟（2010-2012年间）

3.2.3 右缘岸线平顺、南北汊主支交替（2012-2014年间）

3.2.4 南汊冲刷发展、边滩下移挤压北汊（2014-2016年间）

3.2.5 本节小结

3.3 滩槽演变:完整再现和机理研究

3.3.1 新老南汊交替、北汊冲刷发展（2003-2007年间）

3.3.2 南汊缓慢恢复和北汊趁机争流（2007-2012年间）

3.3.3 南汊好转、北汊衰退（2012年至今）

3.3.4 滩槽演变机理和关键性影响因素

3.3.5 主支汊转换动力学机制

3.4 本章小结

4 数值预测: 未来滩槽演变趋势及整治建议

4.1 未来水沙条件的考虑

4.2 趋势预测和整治建议

4.2.1 趋势预测

4.2.2 整治建议

5 特征流量级对心滩窜沟形成和发展影响的数值模拟研究

5.1 模拟条件说明

5.2 不同流量级下心滩周围的水动力特征分析

5.3 不同流量级条件下心滩的冲淤过程

5.4 本章小结

6 总结与展望

6.1 研究总结

6.2 研究展望

参考文献

作者简历

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 雷云龙

导师: 胡鹏

关键词: 太平口水道,滩槽演变,局部时间步长,主支汊转换,窜沟,水沙床数值模拟

来源: 浙江大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 地球物理学,水利水电工程

单位: 浙江大学

分类号: TV147

DOI: 10.27461/d.cnki.gzjdx.2019.000258

总页数: 114

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