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来沙减少条件下弯曲河道演变规律试验研究

赵占超  
【摘要】:三峡水库蓄水运用后,出库的水沙条件和自然条件相比发生了较大变化,特别是下泄的沙量大幅减少,粒径变细,使得水库下游弯曲河道输沙及冲淤相对平衡的状态被打破,三峡水库下游弯曲河道的演变呈现新特点,边滩冲刷难以恢复,主河槽及深泓向凸岸侧偏移,即出现“切滩撇弯”现象,致使河势出现较大调整,可能会对长江中下游弯曲河段的防洪、航运及岸线利用等造成影响。因此,开展来沙减少条件下弯曲河道演变规律试验研究具有重要的理论和实际意义。本论文通过梳理国内外弯曲河道演变研究成果的基础上,采用原型资料分析、理论分析及弯曲河道(以调关莱家铺河段为例)模型试验相结合的研究方法,综合研究弯曲河道水流运动特性、泥沙含沙量分布特性、严重次饱和含沙水流作用下弯曲河道的演变规律及水沙运动与河道演变的耦合机制,并预测了新水沙条件下三峡水库下游弯曲河道演变趋势。取得主要研究成果如下:(1)通过大量原型观测资料分析与实体模型试验,对不同水流条件下不同曲率半径的弯曲河道的水面比降、断面平均流速沿程分布、横断面流速分布、垂线流速分布、横向环流、水流动力轴线的变化规律进行研究,结果表明水面纵比降在弯道上端呈现“洪小枯大”、弯道下端呈现“洪大枯小”的现象,水面横比降由弯道进口至弯道出口先增大后减小,类似正态分布,水流动力轴线摆动幅度与弯道曲率半径及对称程度有关,横向环流在宽浅的弯曲河道中,环流程度不大,多以局部二次环流为主。(2)分析了不同曲率半径的弯曲河道水沙输移特性,结合调关莱家铺弯道、熊家洲至城陵矶弯道的原型观测资料,对不同曲率半径的弯曲河道的水流动力轴线摆动特性与弯曲河道水沙输移的耦合机制进行了研究,发现曲率半径较小的弯道,水流动力轴线随流量摆动幅度大,摆动幅度最大位置多出现在弯道顶部上端且含沙量较大位置在水流动力轴线附近。(3)通过调关莱家铺实体模型试验,研究了该河段弯曲河道的冲淤变化规律、河势变化特性、典型断面变化及河道演变特性。发现在自然条件下,弯曲河道凸岸水流含沙量大于凹岸水流含沙量,来沙减少条件下,凸岸水流含沙量小于凹岸水流含沙量,弯道凸岸逐渐发生冲刷,河道主槽逐渐向凸岸摆动,来沙幅度减少越大,这种演变趋势越明显。(4)通过分析弯曲河道水沙运动与演变规律的关系,揭示了二者之间的耦合机制,即水沙条件变化引起河道地形变化,河道地形变化同时反作用于水沙运动,二者相互作用并往新的平衡模式发展,并在此基础上,预估了新水沙条件下调关莱家铺弯曲河段未来演变趋势,在来沙减少条件下,弯曲河道将继续保持冲刷态势,弯曲河道凸岸将继续遭受累积性冲刷。


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