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《清华大学》 2010年
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非均质河岸河道摆动的三维数值模拟

假冬冬  
【摘要】:冲积河道的自然演变过程中,不仅有垂向上的河床冲淤变化,在平面上也有显著的横向摆动特征。河道横向摆动不仅给防洪、航运、取水等工程带来严重影响,它同时也是蜿蜒河道河型演变研究中的一大难点。因此,研究非均质河岸河道平面摆动的过程机理及其三维数值模拟方法具有重要的理论和实际意义。 论文以长江中游荆江典型河段河道摆动的三维模拟为应用目标,对河道摆动的三维数值模拟动力学方法进行了研究。其中河岸崩塌是冲积河流平面变形的重要体现形式,论文基于河岸崩塌力学机理,推导建立了考虑相邻土体影响的粘性河岸及二元结构河岸坍塌力学模式,弥补了已有模式仅考虑断面二维力学因子的不足;建立了全三维水沙数学模型,并基于非正交网格提出局部网格可动技术处理由崩岸引起的河道摆动过程,将河岸崩塌力学模式与三维水沙模型有效结合,构建了河道摆动的三维数值模型。模型不仅能模拟出河道沿垂向的冲淤变化,而且还能模拟出由非均质河岸崩塌引起的河道横向摆动过程;模型可反映河岸变形对水沙输移计算的影响,亦能反映坍塌粘性土体对河床的掩护作用,为复杂河道平面河势变化的研究提供了一有效技术手段。 本数值模型首先应用于模拟室内概化河槽的平面河势演变过程,并探讨了不同水沙条件下,河道演变的复杂响应过程。之后将模型用于模拟长江中游荆江典型河段的河道摆动过程,与实测结果符合良好;以此为基础,初步模拟分析了三峡水库运用后水沙条件变化对荆江不同河段平面河势演变的影响,结果表明非均质河岸抗冲性的差异对河道的河势演变过程存在显著影响。 基于河道平面变形幅度一致的原则,提出了等效造槽流量计算方法,成功运用于下荆江石首河段的摆动模拟过程中;此外还探讨了考虑河岸坍塌的二、三维水沙数值模型按计算域进行嵌套的长河段模拟方法,并模拟了上荆江沙市-新厂河段的平面河势演变过程。计算结果表明两种方法均可较大地提高模型计算效率,这对促进河道摆动三维模拟方法的发展及应用具有重要意义。
【学位授予单位】:清华大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TV147

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