【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象在動力學機制上仍有認識不足,模型發(fā)展現狀還不能滿足實際工程需要。在實際水庫排沙方案實施中,經常將這兩種排沙措施綜合運用,比如小浪底調水調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)內會有多種水沙輸移狀態(tài)共存,數值模擬的難度加大。此外對于有典型二維特征的支流口門溯源沖刷,目前的數值模擬研究也很少。因此,建立合適的水沙數學模型對水庫異重流與溯源沖刷過程開展數值模擬研究,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。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值解法。對于明流倒回灌,采用零維水庫法計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,推導了考慮底坡的異重流倒灌流量計算公式。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測數據進行了公式驗證。使用不同類型的異重流水槽實驗結果進行模型初步驗證。以三門峽水庫異重流過程為研究對象,進行了原型尺度下的模型率定和驗證,運用吸出層理論計算異重流到達壩前后的下邊界流量。模型比較準確地預測了異重流潛入位置和傳播速度,預測的異重流厚度演化過程與排沙比與實測結果一致,因此模型能夠用于水庫排沙設施的設計,優(yōu)化水庫排沙過程。應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年調水調沙進行了全過程數值模擬。模型預測的水庫降水過程,異重流演化過程以及排沙效率與實測結果較好地吻合。通過比較采用不同倒回灌計算處理方式的模擬效果,證明了耦合明流、異重流、干支流倒回灌計算的必要性。對于一般的水庫排沙原則,模擬結果的啟示是：為了提高異重流排沙比,壩前水位應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及時釋放洪水來提供后續(xù)的動力。此外由模擬結果看出三角洲段的沖刷特征符合典型的溯源沖刷圖形,且模型計算的河床變形過程與溯源沖刷理論公式計算結果一致。改進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數值重構方法進一步改進。用數值重構后的交界面底部高程來計算DFB地形源項處理方法中的交界面數值水深,并證明了此方法滿足well-balance特性。通過對溯源沖刷水槽實驗的模擬證明了數值方法的穩(wěn)定性和模擬結果的準確性。應用改進的淺水二維水沙耦合模型研究了現階段以及攔沙期結束后小浪底支流畛水口門的溯源沖刷現象。模擬結果表明,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挾沙水流進入水庫后，會在一定的水深，流速等條件下潛入庫內水體下方沿庫逡逑底前進，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判別條件。已有許多學者對異重流潛入點判別條件開展了理論和實驗研究（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