明渠弯道三维冲淤数值模拟

文章建立了基于非结构化网格的三维非静压有限体积地形冲淤模型,模型能够准确地模拟弯道二次流及其对河床切应力的影响,同时也考虑了横向底坡对输沙方向的影响,推移质输沙采用Engelund-Hansen全沙公式,将模型应用于140°明渠弯道冲淤试验,分别选取弯道纵向和横向地形冲淤测量值与计算值进行对比,结果显示模型能够模拟弯道主要的冲淤特征,具有较高的模拟精度,能进一步用于实际弯曲河道的地形冲淤计算。     

清水冲刷不连续宽级配床面阻力特性及输沙规律试验研究(Ⅱ)——输沙规律

以天然河床中广泛存在的不连续宽级配床沙为例,开展了清水冲刷水槽试验研究。通过水槽试验对清水冲刷不连续宽级配床面推移质输沙率衰减规律、推移质级配及推移质输沙率的计算进行了分析与探讨,得到了清水冲刷不连续宽级配床面的一系列输沙规律,揭示了不连续宽级配床面与连续宽级配床面输沙规律的联系,为进一步认识不连续宽级配床沙提供了基础。     

潮汐河口推移质输沙数学模型

本文建立了河口推移质输沙数学模型,模型以二维圣维南方程和河床变形方程为基础,采用ADI法差分格式和动边界技术求解平面流场,引进推移质输沙模式,进行非恒定流条件下的河床冲淤计算,以鸭绿江河口丹东港及其附近航道为例,进行了80个潮周期的冲淤过程计算,结果与实际测量值接近.     

黄河下游河道冲淤计算方法

本文介绍黄河规划治理中常采用的下游河道冲淤计算方法.黄河下游来水含沙量大,含沙量变幅大,河床边界条件复杂,特别是漫滩洪水及高含沙洪水,洪峰沿程传播变形及滩槽水流横向交换引起的滩槽冲淤变形均较明显.实际上是三维非恒定流的河床变形问题.本计算方法由黄河下游实测水沙资料分析求得黄河下游各水文断面主槽输沙公式,它反映了黄河下游各断面输沙率不仅与本断面水力条件有关,而且与上游断面来水含沙量有关.根据下游河道型态特性对河床边界条件进行概化处理,运用一维河床变形的三个基本方程进行河床变形计算.漫滩洪水采用马斯京根法进行洪水推演,将不断进行的滩槽水沙横向交换概化为分段进出的漫滩水流.在每小段进出口处进行滩槽水流混合及滩槽分流计算,在每小段内分别进行滩地和主槽的一维冲淤计算.经过三十余年实测资料验证,不论冲淤总量还是沿程各河段及横向滩槽冲淤分布均较符合实际.     

长江中游石首河段崩岸数值模拟研究

以石首河段为例,针对弯曲河段复杂的地形和河势,基于移动坐标的计算原理,建立移动坐标下的平面二维水沙数学模型。通过在泥沙运动方程中增加横向输沙项,对该模型进行扩展,使其能较好地模拟弯道环流的横向输沙效应;借助土力学中边坡稳定性理论,对河岸崩塌变形进行数值模拟。对该河段水流泥沙运动过程及河床演变过程的复演结果,表明该模型不仅能够模拟该河段水流运动规律,而且还能模拟河道的崩岸。     

上荆江典型断面河床纵横向变形过程的概化模拟

针对当前三峡工程运用后坝下游河床的调整特点,将床面冲淤与河岸崩退的计算模块相结合,构建了基于断面尺度的河床纵向及横向变形的概化数学模型。以上荆江荆34断面为研究对象,采用概化模型计算了该断面2006年和2008年水文年的河床纵向与横向变形过程,计算的河床纵向冲刷量、河岸崩退总宽度及崩塌后岸坡形态等结果与实测结果吻合较好。此外还分析了考虑与不考虑床面冲淤2种情况下2006年荆34断面形态调整的计算结果,该断面河床冲刷主要集中在枯水河槽,床面冲刷下切导致河岸高度增大,最大增幅约1.9 m,且考虑河床冲淤后计算的河岸崩退总宽度比不考虑时的计算值偏大20%。表明了近岸床面冲刷下切导致滩槽高差增大,将会加剧崩岸的发生。     

变坡陡比降河道强输沙下泥沙淤积与水位激增的试验研究

山洪常常挟带大量松散块体汇入山区性河道,使河流处于强输沙状态。强输沙水流进入中下游河段后,由于坡降变缓,会衍生出河床地形的淤积抬高,使水位大幅度的升高。通过变坡陡比降水槽,采用单因素控制法研究了强输沙条件下河床地形的冲淤发展及水位变化规律,并根据河流自动调整作用机理,分析了河道淤积发展传播规律,揭示了泥沙在山洪中的附加致灾作用。试验结果表明:上游陡坡河道的强输沙水流,进入下游较缓河段时,在床面可发生淤积,该淤积影响可快速向上游传播,导致河床大范围淤高。其淤积起始位置和淤高厚度与水流强度、含沙浓度等因素有关。更为严重的是,局部淤积发生后,床面比降的变化可能会改变局部河段的急流状态,使淤积锋面处发生水跃,从而显著提高洪水水位。试验发现当上游泥沙补给减弱后,淤积的床沙又快速被水流冲刷掉,使洪水之后很难发现河床淤积的痕迹。     

动床条件下溃坝水流的二维水沙耦合模型

现有大部分溃坝水流模型仅适用于模拟定床条件下的水流演进,但溃坝水流经常可在动床条件下演进。因此非常有必要同时模拟溃坝洪水演进时的水沙输移及床面冲淤过程。本文首先建立了动床条件下溃坝水流的二维水沙耦合模型。该模型主要由二维浑水控制方程、非均匀沙不平衡输移方程及河床冲淤方程组成,采用水沙耦合解法以及基于无结构三角网格下的有限体积法离散。同时利用Roe-MUSCL方法以及时间方向的预测-校正格式,使模型在时空方向具有二阶计算精度。然后采用已有算例及水槽试验资料对模型进行了初步验证。最后采用该模型研究了均匀沙及非均匀沙床面对典型溃坝水流演进的影响。模拟结果表明溃坝水流在定床及动床条件下的演进过程明显不同。溃坝水流因流速大,床面变形较快,且床面冲淤速率可与水流变化速率相当,故需要采用浑水控制方程及耦合解法。     

支流水沙作用下干流床面冲淤特征试验研究

 通过一系列的水槽试验,研究了交汇角为30°时不同水沙条件下干流床面冲淤特性,获得了在支流有无来水、来沙时不同主支汇流比下的干流床面冲淤二维等值线图,初步揭示了干流床面冲淤随主支流量比及支流是否来沙的变化特性。研究成果对了解交汇区的冲淤变化及河床演变具有积极的作用。     

小浪底水库2002年调水调沙下游河道洪水演进跟踪模拟计算

本文采用黄河下游河道洪水演进数学模型，开展了2002年汛期小浪底水库调水调沙下游河道洪水演进与河床冲淤演变时实跟踪计算，计算结果与调水调沙后整编的实测资料对比分析发现，该模型能够较准确复演天然河道的水沙演进与河床冲淤演变过程．可以在黄河下游河道洪水演进及河床冲淤演变预测中应用。     

冲泻区形态动力学耦合模型研究Ⅰ:分段输沙率公式建立

海岸泥沙运动的床面推移质输沙率公式多采用修正的单向流泥沙输运的计算公式,难以描述近岸带往复急变非恒定流作用下冲泻区床面泥沙运动规律及其力学机理。本文在总结分析3家冲泻区泥沙运动希尔兹参数修正公式的基础上,对比分析垂向流速、岸坡、渗流等因素对岸滩形态改变的影响,提出符合冲泻区水沙动力特征的瞬时希尔兹参数修正公式,确定了公式所含参数的计算方法,建立了表征冲泻区泥沙运动的推移质分段输沙率公式,并基于理论分析设计水槽实验对公式参数进行计算,拟合得到的分段参数L表征量位于低冲泻区和中冲泻区的衔接处。结果显示,分段进行冲泻区推移质输沙率的计算是可行的,为后续岸滩形态动力学模型的建立奠定了基础。     

冲积河流一维数学模型

本文发展了一个模拟冲积河道河床变形的一维数学模型.此模型引入了混合层和淤积层概念模式用于模拟河床组成,并考虑了非均匀颗粒的不平衡输移,用隐式有限差分法同步求解水流泥沙连续方程式、水流运动方程和河床组成方程式.这些特点使得该模型能同步反映水流与河床相互作用和制约的关系,并能用于计算和模拟(1)河床长期变形;(2)非均匀质不平衡输沙;(3)冲淤过程河床组成变化;(4)冲刷极限状态床面覆盖作用.此外,模型还具有稳定性能好,计算步长大的特点.     

连续弯道河床演变试验研究

为研究不同水流条件对弯曲河道河床演变的影响,文章开展连续弯道水槽试验,测量推移质输沙、水位、河床表面高程。结果表明：弯曲段床面的横向底坡存在折点,深槽随不同的横断面而异。同一流量下,横断面平均流速与弗罗德数变化趋势完全一致;随着流量增大,各个横断面的平均流速与弗罗德数也增大。在直线过渡段中间附近容易淤积,淤积程度随流量增大而加剧。床面高程阈值区间随流量增大而增大,床面高程由单一性变为多样性。研究成果对河道治理和改善航运有指导意义。     

淤泥质河床冲淤分析计算

根据床面剪切力和水流挟沙力对床面冲淤的影响,针对处于冲淤平衡状态下的床面,利用权重法建立了剪切力和水流挟沙力共同作用下的床面冲淤计算公式,可以广泛地应用于淤泥质河床的冲淤计算。采用剪切力、挟沙力以及二者所引起床面冲淤率的比值等3个参数,整理得出床面冲淤类型,用以分析床面冲淤形态和床面冲淤特点。通过开敞航道淤积、顺岸式港池冲淤以及滩面流速改变引起的床面演变等3个实例,说明本研究成果有较好的实用价值。     

三峡库区非恒定一维水沙数值模拟

该文考虑水沙输移过程中的非恒定性,建立了三峡库区非恒定一维水沙数学模型。模型中采用张红武提出的不平衡输沙理论以及选用符合三峡库区河道水沙特点的悬移质挟沙力公式和推移质输沙率公式,对现有三峡水库泥沙模型进行了改进.采用三级算法求解水流方程组,并选用了分沙比等于分流比的汊点分沙模式,与泥沙连续方程组进行非耦合求解.利用三峡水库蓄水后实测资料对所建模型进行验证,计算结果与实测资料符合良好,表明该模型能够模拟三峡库区干支流河道非恒定的水沙演进过程和河床冲淤变形规律。     

丁坝坝头冲淤的三维数值模拟

本文对洪水条件丁坝近体的局部冲淤进行了三维数值模拟。开发了与全三维紊流模型连接计算的泥沙模型。泥沙推移质的计算考虑了床面坡度对推移质输沙率和临界启动剪切力的综合影响。模型经丁坝淹没绕流实验的充分验证。结果详尽讨论了局部冲刷随时间的动态变化过程和动平衡下的河床平面形态特征。     

黄河下游河岸横向变形数值模拟研究

通过在水流运动方程中增加弥散应力源项,考虑弯道二次流的影响,引入横向环流输沙对河床冲淤变化的影响,对悬移质不平衡输沙方程、推移质输沙方程及河床变形方程进行了修正.根据黄河的特点建立了模拟河岸侵蚀、崩塌的计算方法,应用所扩展的平面二维数学模型对黄河下游河道的横向变形及河势演变进行了数值模拟,结果表明该计算模型能较好地模拟河道横向变形.     

黄河下游冬季河床冲淤过程的模拟

本文建立了模拟黄河下游冬季输沙及河床变化的数学模型。根据实测资料对明流（不结冰）情况下的经验输沙公式进行了修正以用于冰盖水流的情况。在本模型中计算了模拟河段内各个断面在每个时段的水流条件、输沙率及河床的断面形态。在河床演变过程中根据河流最小能耗原理对河宽的变化进行了调整。冲淤沿断面的横向分布是根据有效拖曳力的原则分配的。模拟结果与实测资料相当吻合。     

黄河下游平面二维非恒定输沙数学模型:II—模型验证

采用黄河下游1982年洪水资料,选取花园口至夹河滩河段为计算区域,对所建模型进行了验证计算,结果表明本模型计算的洪峰传播过程,水位变化过程及含沙量变化过程等均与实测结果接近,流速场、主流线等也较符合实际。从而证明了所建立起的平面二维非恒定输沙数学模型与相应的数值计算方法能够模拟黄河下游河道水沙演进过程及河床冲淤变形规律。     

壅水条件下推移质泥沙输沙率变化规律初步研究

壅水条件下水流结构特征及推移质泥沙输移规律问题目前尚未得到很好的解决,如天然壅水河段、水库库区壅水等条件下的泥沙输移、河床冲淤等问题,亟需这方面的理论支撑。利用理论分析、实测资料、水槽试验等方法进行对比分析首先分析不同条件下推移质输沙率变化的差异性;然后利用水槽试验观测壅水条件下非均匀流水流结构特征;最后结合天然实测资料和水槽试验资料,回归分析得出了适合在水库库区壅水河道的推移质输沙率计算公式。研究结果为当壅水程度指标β达到1.3以上时,现有各家公式已基本不能用来计算壅水条件下的推移质输沙率;利用水槽试验资料得到了相对床面切应力与壅水程度指标β的定量关系;回归分析得出壅水河道推移质输沙率计算公式可以在三峡库区河段适用。