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两坝间长时段冲淤过程数值模拟

王远航  
【摘要】:三峡~葛洲坝枢纽的两坝间河段的冲淤过程对宜昌水位有因果关系。研究三峡蓄水后各个水位运行期的两坝间冲淤过程,对于准确分析葛洲坝下游水位的变化有着重要的意义。 本论文采用数值模拟方法对两坝间河段的冲淤过程进行研究。用特征线法中的二阶精度格式求解非恒定流一维水流方程,并采用非平衡输沙方程、结合已有的水流全沙数学模型理论求解输沙过程。针对水库下游河床冲刷变形情况,建立了一维水沙数学模型,完成了以下工作: 1) 两坝间河段的河床演变计算。首先,利用 1997 到 1999 年三峡下游到葛洲坝之间河段的水流、地形及泥沙资料,对此非平衡输沙数学模型参数进行了率定和验证。并以此数学模型为基础,对三峡水库运行 20 年(2003 年-2022 年)内,两坝间河段的河床演变过程及葛洲坝坝前来水来沙条件进行了预测计算。计算结果表明,20 年内两坝间将冲刷大约 4600×104m3,而且主要发生在三峡水库运行的前两年,2003 年和 2004 年。而且葛洲坝坝前来沙量较三峡水库出口含沙量要大一些。 2) 对水流挟沙力公式中李义天力公式(考虑床沙级配的影响)和韩其为公式(考虑入口断面来沙量的影响)对两坝间河床演变过程进行了计算并比较两个公式的计算结果。对比结果表明,韩其为的水流挟沙力公式更适合于计算水库下游河床冲刷的问题。 3) 将数学模型中的非恒定流模型,应用到长江中游宜昌到汉口之间的 626km 长河段上,利用 1999 年和 1998 实测洪水过程对模型进行了率定,计算中考虑了河段汇流和出流的影响。 4) 将数学模型的特征线解法应用于大坡度坡面流的研究,对坡面规则细沟带降雨径流过程中,流速、水深与坡面条件(如坡度,细沟等)的相互关系进行分析,从而获取坡面流水力要素随坡度的变化规律,并基于计算得到的摩阻流速变化规律提出了发生细沟侵蚀的临界条件。


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