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挖槽紊动特性及弯曲分汊河段碛槽开挖稳定性分析

郭艳  
【摘要】: 山区河流分布有大量的弯曲分汊卵石浅滩,其碍航特征表现为弯、浅、险,是航道整治中最为复杂的滩险之一。由于对此类复杂滩险的形成机理、水沙运动规律、航道整治建筑物和开挖航槽的水力特征认识不足,导致不少整治工程未能从根本上解决碍航问题。本论文以西部交通建设科技项目“长江宜宾至重庆段航道治理关键技术研究”专题一“长江叙渝段典型卵石浅险滩整治关键技术研究”为研究背景,在分析弯曲分汊河段卵石浅险滩水沙运动规律的基础上,对开挖航槽紊动特性及碛槽开挖稳定性这一理论和技术难题开展了实验研究和理论分析。 本文研究分析了长江上游叙渝段弯曲分汊河段卵石浅滩的碍航特征及整治实践,依据典型卵石浅险滩的原型观测资料和模型试验成果,对山区河流同类型枯水卵石浅险滩的碍航机理,水流泥沙运动、河床演变规律和整治方法进行了总结。分析结果显示:弯曲分汊河段中弯曲汊道航槽弯浅、通航水流条件较差,航行条件难以彻底改善,应开展顺直汊道碛槽通航可行性的研究。 本文对开挖航槽水流紊动特性进行了较系统的试验研究。采用三维超声流速仪,系统地测量不同挖槽断面型式的水流紊动特性,对时均流速、紊动强度等沿垂线分布进行分析计算,分析比较了挖槽水流纵向、横向及垂向的紊动强度分布特点。本文还对挖槽与丁坝共同作用时的水流结构进行了试验研究,分析丁坝与挖槽共同作用效果。 挖槽紊动特性试验成果表明:纵向相对紊动强度大于横向相对紊动强度,垂向相对紊动强度最小且沿水深分布较均匀。在相同挖槽面积情况下,随着挖槽断面宽深比的减小,摩阻流速及近底纵向紊动强度相应增大,宽深比为17.8时达到最大;宽深比继续减小,纵向紊动强度呈减小趋势;从减少挖槽回淤,保持航槽稳定的角度来看,选择宽深比在17.8左右的窄深型断面优于宽浅型断面。挖槽与丁坝群共同作用时,当丁坝未完全淹没时,经过丁坝后的断面紊动强度增大;完全淹没时,紊动强度变化不大。 基于对弯曲分汊河段水沙运动、河床演变和碛槽水沙特性的认识,通过对新开碛槽流速控制指标、紊动强度和挖槽横断面型式对推移质输沙的影响等方面的分析计算,研究了弯曲分汊河段新开碛槽的稳定性。研究表明:整治流量下满足挖槽稳定性要求的槽内流速宜为1.1~1.3倍起动流速。在挖槽断面宽深比为17.8时输沙强度最大,窄深型挖槽断面优于宽浅型。为彻底改善航行条件,可开辟顺直碛槽通航;新开碛槽宜采取窄深型航槽疏浚与筑坝相结合的枯水整治方法。


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