（水力学及河流动力学专业论文）长江中游典型心滩水力特性及冲淤变形研究.pdf

s t u d yo nh c h a r a c t e r i s f a nx u e m e i d i s s e r t a t i o ns u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rc a o m i n g x i o n g j u n 2 010 n a n j i n g p r c h i n a 学位 取得 论文 事对 意。 学位 国学 件或 子文 允许 京水 摘要 摘要 心滩是河心凸出床面的水下淤积体，完整稳定的心滩往往是航槽稳定的基 础。依托三八滩河段平面形态，进行了心滩河段的滩槽概化，采用二维水流数学 模型和概化模型试验相结合的手段，研究了不同心滩形态、水流条件、滩头迎流 角、左右汉断面面积比、护滩建筑物等因素下滩体附近的水位、比降、流速、流 场等水力特性变化，以及有无护滩建筑物防护下的泥沙输移特性与滩槽冲淤特 性。研究的主要结论如下： ( 1 ) 研究了河道放宽段心滩水位、流速及比降的沿程与沿断面变化规律。 心滩进口处水位、流速及比降变化较平缓；在滩面处流速增加、水位跌落、比降 加大；之后受下游河段河宽收缩阻水影响，水位快速壅高，而流速迅速减小，最 后进入下游收缩河段，水流逐渐恢复正常。一般凹岸水位高于凸岸水位，河段主 流趋直偏向凸岸侧。水位低值区及流速高值区均位于滩尾收缩段的两侧深槽。 ( 2 ) 分析了流速、水深、迎流角、汉道断面面积及长宽比、河宽收缩比对 水力特性的影响。流速越大，滩面水位、纵横比降、流速变化越大，两侧深槽流 速差越大。水深增大，滩面比降减缓，流速增加；露滩时，滩面横比降随水深增 加而增大。滩头迎流角改变时，迎流面流速减小，滩尾流速增加。心滩向凸岸侧 发展时，滩面纵比降增加、横比降减小。滩体长宽比越小，或河宽收缩比越小， 滩顶水位、流速、滩面比降变化越显著，两侧深槽流速差越大。 ( 3 ) 心滩守护前的自然演变是滩头、滩顶及两侧滩唇出现不同程度的冲刷， 心滩萎缩。心滩守护后，滩体受到不同程度的保护，护滩带隔离了水流直接作用 于滩面；四面透水框架增大了滩面阻力以减速促淤而护滩；鱼骨坝调整了心滩附 近水流结构而保护坝田中的滩面。对守护效果而言，护滩带整体防护最好，依次 为框架间隔防护、护滩带间隔防护、鱼骨坝防护。 ( 4 ) 护滩建筑物损毁根本原因是水流流速较大，建筑物附近形成冲刷坑而 使建筑物遭受破坏。护滩带边缘破坏以出现悬挂、架空为主，四面透水框架以散 落为主，鱼骨坝护滩后各刺坝坝头河床刷深而坍塌。 关键词：航道工程，心滩，水力特性，冲淤特性，模型试验，三八滩 a b s t r a c t a b s t r a c t c e n t r a lb a ri sa c c r e t i o nb e a c hi nt h em i d d l eo fr i v e r i t si n t e g r a l i t ya n ds t a b i l i t yi s t h eb a s i co fk e e p i n gt h ew a t e r w a ys t e a d y a c c o r d i n gt op l a n ec o n f i g u r a t i o no fs a n b a b a r , t h ec h a n n e lw i t hc e n t r a lb a ri sg e n e r a l i z e d t h r o u g ht w o d i m e n s i o n a l m a t h e m a t i c a lm o d e lc a l c u l a t i o na n dg e n e r a l i z ef l u m em o d e le x p e r i m e n t ，t h e h y d r a u l i cc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h es c o u r i n gd e f o r m a t i o no ft h ec e n t r a lb a ra r es t u d i e d w es t u d yh y d r a u l i cc h a r a c t e r i s t i c s ，s u c ha sw a t e rl e v e l ，s l o p e ，v e l o c i t y , f l o wf i e l d ， n e a rt h ec e n t r a lb a ru n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n s ，i n c l u d i n gd i f f e r e n tc o n f i g u r a t i o n ， d i f f e r e n tf l o wc o n d i t i o n ，d i f f e r e n tu p s t r e a ma n g l e ，d i f f e r e n ta r e ar a t i oo fl e f tb r a n c ht o r i g h ta n de x i s t e n c ea n dn o n e x i s t e n c ec e n t r a lb a rc o n s e r v a t i o nb u i l d i n g a n dt h e n s e d i m e n tt r a n s p o r tc h a r a c t e r i s t i c sa n de r o s i o na n dd e p o s i t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h e c e n t r a lb a rw i t he x i s t e n c ea n dn o n e x i s t e n c es e d i m e n ti n f l o wa n dc e n t r a lb a r c o n s e r v a t i o nb u i l d i n ga r ea l s os t u d i e d t h ec o n c l u s i o no ft h i st h e s i sm a i n l yi n c l u d e s t h ef o l l o w i n ga s p e c t s ： i ts t u d i e st h ev a r i a t i o no fw a t e rl e v e l ，v e l o c i t ya n dg r a d i e n to fc e n t r a lb a ri nt h e r e l a x a t i o ns e g m e n to ff i v e ra l o n gt h ef l o wp a t ha n da l o n gt h es e c t i o n a tt h ee n t r a n c e ， t h e yv a r ys l o w l y ；i nt h eb a ra r e a , t h ev e l o c i t yi n c r e a s e ，t h ew a t e rl e v e ld r o p sa n dt h e g r a d i e n tg r o w s ；t h e nb ye f f e c t so fn a r r o w e rb a n kd o w n s t r e a m ，w a t e rl e v e lq u i c k l y g o e su p ，a n dt h ev e l o c i t yg o e sd o w n ；f i n a l l yr u n n i n gt o n a r r o w e ds e g m e n t d o w n s t r e a m ，f l o wg r a d u a l l yr e t u r n st on o r m a l g e n e r a l l yw a t e rl e v e lo nc o n c a v eb a n k i sh i g h e rt h a nt h ec o n v e xb a n k t h em a i n s t r e a mt r e n d ss t r a i g h ta n dt e n d st oc o n v e x b a n ks i d e l o ww a t e rl e v e la r e aa n dh i g hs p e e da r e aa r el o c a t e do nb o t hs i d e so fd e e p c h a n n e li nt h ee n do fc e n t r a lb a r i ta n a l y s e st h ea f f e c to fv e l o c i t y ，w a t e rd e p t h ，u p s t r e a ma n g l e ，a r e ar a t i oo fl e f t b r a n c ht or i g h t ，r a t i oo fl e n g t ht ow i d t ho fb a ra n dc o n t r a c t i o nr a t i oo nh y d r a u l i c c h a r a c t e r i s t i c s v e l o c i t yi sf a s t e r , t h ev a r i a t i o no fw a t e rl e v e l ，v e l o c i t ya n dg r a d i e n t a l o n gt h ef l o wp a t ha n da l o n gt h es e c t i o ni nt h eb a ra r e aa r eg r e a t ，a n dt h ev e l o c i t y d i f f e r e n c eb e t w e e nt h ed e e pc h a n n e l sa r em o r e a sw a t e rd e p t hi n c r e a s i n g ，b e a c h s l o p es l o w sd o w na n dt h ef l o wr a t ei n c r e a s e s w h e nt h eb a ri so u t ，g r a d i e n ta l o n gt h e s e c t i o ng o e su pw i t hd e e p e rw a t e r w h e nu p s t r e a ma n g l ec h a n g e s ，t h ef l o wr a t eo f u p s t r e a mf a c ed e c r e a s e s a n dt h ef l o wr a t eo fd o w n s t r e a mi n c r e a s e s w h e nt h eb a r a p p r o a c h e st oc o n v e xb a n k ，g r a d i e n tg o e su pa l o n gt h ef l o wp a t hb u tg o e sd o w na l o n g t h es e c t i o n r a t i oo fl e n g t ht ow i d t ho fb a ro rc o n t r a c t i o nr a t i oi ss m a l l e r , w a t e rl e v e l ， a b s t r a c t v e l o c i t ya n dg r a d i e n ti nt h eb a ra r e ac h a n g e ss t r o n g e r , a n dt h ev e l o c i t yd i f f e r e n c e b e t w e e nt h ed e e pc h a n n e la r em o r e w i t hn op r o t e c t i o n ，t h en a t u r a le v o l u t i o no fc e n t r a lb a rt a k e so ns c o u r i n gi nt h e a r e ao fu p s t r e a mo fb a r , t o po fb a ra n db o t hs i d e so fl i p sw i t hd i f f e r e n td e g r e e s t h e c e n t r a lb a ri sr e d u c e d a f t e rc o n s e r v a t i o n ，t h eb a ri s p r o t e c t e dm o r eo rl e s s b e a c h p r o t e c t i o nb a n dp r o t e c t sw a t e rf l o w i n gt o w a r dt h eb a rs u r f a c ed i r e c t l y t e t r a h e d r a l p e r m e a b l ef r a m e w o r ki n c r e a s e sr e s i s t a n c et os l o wt h e v e l o c i t y a n dp r o m o t e d e p o s i t i o no nt h ec e n t r a lb a rs u r f a c e f i s hb a ra d ju s tt h ef l o ws t r u c t u r et op r o t e c tt h e s u r f a c eb e t w e e nt h e m f o rt h ee f f e c to nt h ec o n s e r v a t i o n ，b e a c hp r o t e c t i o nb a n dw i t h o v e r a l lp r o t e c t i o ni st h eb e s tw a y , f o l l o w e db yt e t r a h e d r a lp e r m e a b l ef r a m e w o r kw i t h i n t e r v a lp r o t e c t i o n ，b e a c hp r o t e c t i o nb a n dw i t hi n t e r v a lp r o t e c t i o n ，f i s hb a rp r o t e c t i o n f u n d a m e n t a lr e a s o nf o rt h ec o n s e r v a t i o nb u i l d i n gi sg r e a t e rf l o wv e l o c i t y s c o u r h o l ef o r m sn e a rt h eb u i l d i n g ，t h e nt h ec o n s e r v a t i o n b u i l d i n gi sd a m a g e d b e a c h p r o t e c t i o nb a n di sm a i n l yd a m a g e dw i t ht h ee d g eo fb a n dd e s t r u c t i o nt oa p p e a rh u n g t e t r a h e d r a lp e r m e a b l ef r a m e w o r ki sg e n e r a l l yd a m a g e d a c c o m p a n y i n gw i t hs c r o l l i n g t os c a t t e r e d f i s hb a ri so f t e nc o l l a p s e db e c a u s eo fl o w e rb e dc a u s i n gb ye r o s i o nn e a r t h ed a mf o o t k e yw o r d s ：w a t e r w a ye n g e r n i n g ；c e n t r a lb a r ；h y d r a u l i cc h a r a c t e r i s t i c s ；e r o s i o na n d d e p o s i t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ；m o d e le x p r i m e n t ；s a n b ab a r 目录 目录 摘j 耍1 第一章绪论1 1 1 研究背景及意义1 1 2 国内外研究现状3 1 2 1 浅滩水沙运动特性3 1 2 2 长江中下游心滩形成原因5 1 2 3 护滩整治建筑物8 1 2 4 研究方法9 1 3 研究内容及方法1 2 第二章三八滩概况及概化模型设计1 3 2 1 三八滩概况l3 2 2 河床演变分析：16 2 3 概化模型设计19 2 3 1 概化心滩形态参数确定1 9 2 3 2 模型比尺确定2 4 2 3 3 心滩河段滩槽概化一2 5 2 3 4 模型制造、测量仪器及护滩建筑物一2 7 2 4 小结3 2 第三章预备试验及数模建立、验证3 3 3 1 试验条件一3 3 3 1 1 定床试验条件一3 3 3 1 2 动床试验条件3 6 3 。2 预备试验一3 7 3 3 数学模型的建立与验证3 9 3 3 1 数学模型的建立3 9 3 3 2 数学模型的率定与验证4 2 3 4 小结4 4 第四章心滩水力特性研究4 5 4 1 水位变化特点一4 5 4 1 1 纵向水位、比降。4 6 4 1 2 横向水位、比降5 3 4 1 3 水位等值线5 8 4 2 流速变化特点5 9 4 2 1 纵向流速6 0 4 2 2 横断面流速一6 5 4 2 3 流速等值线6 9 4 2 4 流场7 0 4 3 泥沙输移路线7 l 4 4 有护滩建筑物下的心滩水力特性7 2 4 4 1 断面流速变化特点7 3 4 4 2 垂线流速变化特点一7 4 4 4 3 护滩建筑物附近表面流场变化7 5 4 5d 、结7 5 第五章心滩冲刷变形研究7 7 目录 5 1 无护滩建筑物条件下的滩体冲刷变形7 7 5 l1 滩槽冲淤变化一7 7 5 1 2 滩槽冲淤分析8 3 5 2 有护滩建筑物条件下的滩体冲刷变形8 6 5 2 1 护滩后滩槽冲淤变化8 6 5 2 2 护滩建筑物防护后冲淤分析9 4 5 2 3 护滩建筑物损毁机理分析9 5 5 3d 、结9 6 第六章主要结论与展望。9 9 6 1 结论9 9 6 2 展望一l0 0 参考文献。10 2 附图 长江r | l 游典犁心滩水力特性及冲淤变形研究 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 内河水运是国家综合运输体系和水资源综合利用的重要组成部分，一直受到世界 各国的重视。2 0 世纪3 0 年代以来，天然河流众多的发达国家，对一些重要的河流逐 一加以开发、整治，并通过开挖运河沟通，不同水系先后建成了深水航道网，内河航 运已成为现代化交通运输的重要组成部分。目前我国已初步形成了以长江、珠江、京 杭运河、淮河、黑龙江和松辽水系为主体的内河水运体系，今后几十年我国将进入大 规模开发、治理河流的建设阶段。 长江作为我围第一大河流，横贯东西的水上运输大动脉，是我国规划的“三横一 纵”内河交通运输网的重要组成部分，特别是长江上游河段位于我国西部地区，其航 运的发达程度将直接关系到沿江经济的发展。从上世纪5 0 年代以来，国家投资对长 江进行了大规模的航道整治，取得了良好的整治效果。长江水运发展的总体目标是： 到2 0 2 0 年，长江水运要实现现代化，适应沿江经济社会发展需要，为沿江经济社会 全面协调可持续发展提供高效、畅通和有竞争力的水运服务。长江水运优势充分体现， 黄金水道作用充分发挥。长江水运发展的具体目标是：结合水利河势控制工程，完成 长江干线主要碍航河段航道治理，中游航道通过能力比现在提高两倍以上，上游航道 通航条件全面改善。为了达到此目标，目前必须对长江巾下游重点碍航浅滩进行整治。 心滩( 潜洲) 是河心凸出床面的水下淤积体1 1 1 ，一般低于平滩水位( 枯水期出露 水面) 的河心滩体称为心滩，而高于平滩水位的则称江心洲，心滩往往是高大完整的 江心洲雏形。心滩主要发育在束窄段上游的壅水段与下游展宽段，弯曲河流的过渡段， 干支流汇口段等处，这些地方流速减小，携沙能力降低，致使泥沙沉积，形成雏形心 滩。以后，因河床对水流的阻力增大，引起滩面上流速减小，使雏形心滩不断沉积， 高出水面，成为心滩。心滩由河床沉积物组成，抗蚀性弱，在水流作用下易发生下移， 或向右、左岸偏移。长江中下游典型心滩主要有沙市河段三八滩、东流水道老虎滩、 藕池u 水道倒u 窑心滩、燕子窝水道燕子窝心滩、武新水道鸭儿洲心滩等，这些心滩 位于河道中心滞洪碍航，整治难度较大，是水利和水运部门共同关注的焦点。 心滩因孤立于河心往往使得巾枯水的水深不满足航深要求。完整稳定的心滩往往 是航槽稳定畅通的基础，当心滩滩体不稳定( 心滩下移或被冲散) 时，将直接影响到 南京水利科学研究院硕士论文 航道尺度，下移的心滩泥沙可能输移到航道内使得航深不足，被冲散的心滩因窜沟多 水流分散，也将引起航槽位置的不稳定或者航深的不足。特别是三峡枢纽运行后，上 游来沙量大量减少，下游河道开始进入清水冲刷期，同时，巾水流量过程延长，主 顶冲位置较为固定，长江中下游心滩的稳定性受到更为严重的威胁。因此有必要进行 心滩水力特性及冲刷变形研究。 2 长f i l i - 游典型心滩水力特性及冲淤变形研究 1 2 国内外研究现状 1 2 1 浅滩水沙运动特性 目前，国内外学者专门针对心滩的水沙特性的研究较少，但对浅滩的研究成果较 为多见，心滩是浅滩的众多形态巾的一种，对浅滩的各项研究成果进行归纳总结有助 于认识心滩河段的水沙特性。 ( 1 ) 比降和流量、流速的关系 美围e a s tf o r k 河是美国w y o m i n g 洲的一条弯曲河流2 】显示：流量增加时，浅滩 段比降减小，深槽段比降相应增大；流量减小时，两断面比降则向相反方向变化。 浅滩纵向水面形态复杂，洛西也夫斯基根据试验得出浅滩上局部比降和流速关系 式如下： 扣芝爰= 邵警 2 m 注：l l r 为流速水头 图1 2 1 浅滩水流与水深的变化 式巾：为滩长；胁为滩项水深；罗为河床倒坡角；d 为滩顶高；v r 为滩上流速。各 因素关系见图2 1 1 。由上式可见，浅滩上局部比降和流速水头、滩顶水深以及河底 的倒坡有关。倒坡愈大，水深愈小，则比降愈大；水深大，则比降小。 张绵琦、陈国祥1 9 9 0 年曾在水槽中进行概化试验，研究成果和上述相似【3 】。试验 表明，在低水期，浅滩上比降大，流速大。 卢汉才1 4 j 也认为，一般是涨水期水位上升，浅滩上比降减小，而深槽比降增加， 深槽比降大于浅滩；落水期到中水位以下，浅滩比降增加，浅滩比降大于深槽比降。 3 南京水利科学研究院硕士论文 刘忠保、张春生、汪崎生用实验模拟研究了拓宽河段心滩形成与演变5 1 实验表明， 流速、水深、f r ，均在洪水期最大，中水期次之，枯水期最小，但洪水期大于中水期 的幅度较巾水期大于枯水期的幅度要大，巾水期仅略强于枯水期：单独从f r 来看， 洪水期处于急流状态。 ( 2 ) 纵向流速分布 浅滩段的纵向流速与水位变化有密切的关系1 6 1 。随着水位上升，水深加大，浅滩 段和深槽的水深都增加。但是在枯水期，从上深槽到浅滩脊，沿水流方向流线呈收缩 状，流速沿程增大，为加速流，浅滩段流速大于深槽流速，至浅滩脊处流速达到最大。 高水期，从上深槽到浅滩脊，在水平方向流线呈扩散状，流速沿程减小，为减速流， 深槽流速大于浅滩段流速，至滩脊处流速达到最小，见图1 2 2 。 l高水 r 一h j “ 翼1 ； r t l i 水 d南，l ， ? sl 一：小： 一堡銮一一一一j 一一一 一 7 | 萝矽一一一 浅滩脊 、 下深槽- i 么一一一 二：! ! ! ” 图1 2 2 不同水位纵向流速沿程变化 实测资料表吲4 1 ，由深槽到浅滩段的水流作不均匀运动，至枯水期愈益明显。纵 剖上浅滩段迎水坡为加速流，背水坡为减速流；从平面看，随着水位不同、河面宽度 约束程度不同而沿程作加速和减速运动。在低水期，流速沿程增加，越过滩脊后，流 速减小，滩脊处流速最大。底部流速也是沿程增加的，底部流速增加多，则导致枯水 滩面冲刷。 刘忠保等经过试验【5 1 发现，中水期或者枯水期全河段流速变化不大，均在一个数 量级变化范围之内，洪水期全河段流速相差较大，有的相差2 倍以上，如上游束窄段 的平均流速分别为拓宽段左、中、右侧流速的2 0 、2 1 4 、2 3 3 倍。无论洪水期、中 水期还是枯水期，比较拓宽河段的水动力参数和上、下游顺直束窄段的水动力参数发 现，断面扩大，流速变小，水深变浅。 ( 3 ) 泥沙运动 浅滩上的推移质泥沙运动，多是以沙波方式进行6 1 。浅滩是一个巨型沙波，在它 4 长江t l - 游典型心滩水力特性及冲淤变形研究 的上面，通常还有次级沙波。次级沙波沿大沙波向下游移动，推移至浅滩脊时，浅滩 就淤高。涨水时沙波运动较慢，落水时沙波运动较快。浅滩的历年变化与河流的来水 来沙密切相关。在一般的来水和来沙量的年份，浅滩向下游移动；小水多沙年浅滩脊 会有所淤高，大水少沙年浅滩脊则会被冲刷降低。滩脊的高低，决定于当年上游来水 来沙量的大小及水位消落的快慢，和各级水位持续时间的长短。 河段浅滩演变规律研究则主要基于一定工程背景，分析具体河段的浅滩演变。 1 2 2 长江中下游心滩形成原因 心滩是长江中下游较常见的滩体形式，主要出现在两岸抗冲性减弱，河道宽窄相 间( 藕节状) 的河段放宽段。有的心滩位于非主流区，形态低矮、完整，如长江东流 水道的老虎滩，有的心滩位于洪枯水流流路变化较大的主流变动区，形态时而成形、 时而被冲散，如长江沙市河段的三八滩i7 1 。 长江中下游河段江心洲众多，同时许多江心洲是由心滩不断淤长演变而成，通过 对长江中下游各类心滩、及江心洲的形成条件归纳分析，可分析心滩形成原因如下： ( 1 ) 当河岸的可动性大于河床可动性时，河床容易展宽，使得断面平均流速减 缓，水流挟沙能力降低，泥沙不断堆积形成心滩。例如：周公堤水道呈微弯放宽状， 自郝穴镇以上l k m 处的狭窄口向下逐渐放宽，河道放宽率较大，进而流速减小、泥 沙落淤，形成茅林口心滩【8 】( 图1 。2 3 ) 。 图1 2 3 周公堤水道河段放宽形成的茅林 j 心滩 ( 2 ) 在宽窄相间的河段，出口的束窄段常有矶头出露而形成节点，上游来水在 此产生壅水，加剧了放宽段因水流扩散造成的流速减小，泥沙落淤，从而形成心滩。 孙仲明在“长江中下游江心洲的成因及其土地利用的研究中【9 1 看法与此一致：如安 徽的陈家洲即是右岸的东梁山和左岸的西梁山组成对称的双边节点而造成上游段壅 水，形成了江心滩、洲( 图1 2 4 ) 。湖北的南阳洲、金l j 附近的铁板洲、巴河l 的戴 s 南京水利科学研究院硕士论文 家洲都是上游壅水形成的江心滩、洲。对此，冷魁在“长江中游城螺河段河床演变” 中有相同的看法1 1 们，指出南阳洲即形成于杨林山、龙头山两卡口之间( 图1 2 5 ) 。 图1 2 4 东西梁山节点形成的陈家洲 图1 2 5 杨林山、龙头山节点形成的南阳洲 ( 3 ) 当边滩过分宽广且抗冲刷性较差时，在水流的冲刷下，特别是在洪水期间， 边滩就被切割形成心滩。荆江沙市河段的三八滩就脱胎于腊林洲边滩的切割【】，2 0 世纪7 0 年代初，腊林洲边滩被水流切割，在杨家湾附近分为上下两段，下段即三八 滩，以江心滩的形式存在。 ( 4 ) 洪枯水流动力轴线的位移造成动力轴线的分汉，在分流扩散区会形成心滩。 马鞍山河段潜洲就是江心洲左汊水流动力轴线分汉所形成削1 2 1 ( 图1 2 6 ) 。 6 长江i f l 游典型心滩水力特性及冲淤变形研究 图1 2 6 马鞍山河段江心洲左汊水流动力轴线分汊形成潜洲 ( 5 ) 在主河道支流汇入处，由于支流泥沙大于干流，泥沙在汇入处淤积，或者 由于支流水流受干流的顶托而在汇口处堆积成心滩。如苏北的滁河口，淤积有乌龟洲， 扬州附近的小江口有落成洲1 9 a 3 1 ( 图1 2 7 ) 。 图1 2 7 支流( 三江营) 入汇( 长江) 处形成的心滩( 落成洲) ( 6 ) 长江中下游河段中时有基岩突起或河底有障碍物，使迎流面顶流，而背流 面常淤积成心滩。如镇江的焦i _ 1 1 9 1 ，位于江心，基岩体在洲头，背冲面则有1 0 0 0 多 米的滩地。 心滩的形成，影响因素多而复杂，往往是几种原因综合作用的结果。只有了解了 7 南京水利科学研究院硕士论文 影响心滩形成、演变的水沙动力机制才能合理地采取相关守护措施。 1 2 3 护滩整治建筑物 通过对国内外护滩建筑物的应用情况进行调研，资料表明1 1 4 】，以护滩为目的的整 治建筑物在国外研究较少，伏尔加河、密西西比河、密苏里河、莱茵河上常建河底导 流板坝、丁坝或顺坝群用于护滩( 底) 。 国内的河流治理中护滩建筑物应用较为广泛，现有的护滩结构大致可以分为网大 类1 5 , 1 6 】：第一类是散抛块体护滩，主要应用于闽江水口电站下的护滩工程，西江鲫鱼 滩、盐蛇滩的护滩工程，汉江襄利河段航道整治工程中采用过这种散抛块体护滩。第 二类是坝体护滩，坝体形式有丁坝、顺坝等，主要在黄河、闽江、西江等河流治理中 应用，长江上也有一定应用。第三类是软体护滩带，针对历史上曾经出现过较为严重 的碍航现象的水道，目前正处于演变周期中河势条件较好、洲滩较为高大完整的有利 形势时，采用软体排护滩这种新型整治建筑物结构型式可将有利的滩槽形态加以稳 定。目前，软体排在长江航道整治工程中应用较多。第四类是四面透水框架，近年来， 为了解决护滩带边缘冲刷变陡、局部破坏现象，在东流航道整治工程、周天航道整治 控导工程中采用四面六边透水框架，保护护滩带边缘，取得了较好的效果。 各种护滩( 底) 结构一般均能满足本水域河床稳定防护的要求，但是他们的效果 有较大差异1 1 6 1 。其中，抛石整体性较差，同时对局部水流的扰动较大，容易流失沉陷。 抛枕己被来往的船舶划破损坏、在阳光照射下易老化。 “长江中游航道整治丁坝稳定性关键技术研究”【1 7 】中提出了丁坝护底的范围及 结构型式的确定方法及增强护底的抗冲能力和稳定性的措施( 前缘埋深或加载) 。 鱼骨坝也称梳齿坝，由顺水流方向的顺坝和垂直于顺坝的刺坝组成。顺坝用于分 流和归顺水流方向，刺坝可用于调节环流的运动，并增强坝体的稳定。日前鱼骨坝尚 无成熟的设计理论，国内工程实例不多m 2 0 1 。“长江中游航道整治鱼嘴工程稳定性关 键技术研究”【2 0 】中对鱼骨坝的水毁原因进行了分析，认为刺坝头遭受到的破坏来自两 个方面，一方面是坝头流速梯度和垂向流速较大，坝面块石直接受到水流对其的剥蚀， 另一方面坝头流速较大，并在沿坝头面向下的下沉水流作用下，容易形成坝头冲刷坑， 坝头冲刷坑的发展将使得坝体基础失稳，从而加剧坝体的破坏。坝体淹没时，刺坝的 上下游存在较大的局部水面比降，尤其是第一条和最后一条刺坝，刺坝坝身主要遭受 到水流对其的剥蚀破坏。 8 长i 1 【| j 游典犁d 滩水力特性及冲淤变形研究 软体排护滩带在长江航道整治的应用巾主要是利用其隔离和反滤功能，进行河床 的护底和固滩，防止水流直接冲刷河床( 滩体) 和因水流渗透作用而造成河床( 滩体) 的局部变形破坏【2 。主要以周天清淤应急工程、碾子湾航道整治工程、张南下浅区航 道整治工程为典型代表。软体排护滩带护滩的特点主要表现为【2 2 - 2 3 】：能适应不同 的地形条件，紧贴河床，使固滩护底后滩体和河床变形较小，非常适用于长江中下游 沙质河床易变动的特性。护滩带能有效防止滩面的水流直接冲刷床面，而且对河段 滩面流场改变较小，但护滩带边缘滩体未保护部分易被冲刷，因为在护滩带边缘形成 紊动水流，这种水流输沙能力很强，极易淘刷护滩带边缘，形成陡坡、冲刷坑，造成 排体不均匀变形甚至排体悬空，逐步导致护滩带的破坏。“边滩水沙运动特点及护滩 建筑物破坏机理研究，【”j 通过对护滩带破坏的影响因素分析、护滩带脉动拉力试验及 受力分析，提出了护滩带常见的边缘塌陷、悬挂，排体中部鼓包、塌陷等破坏类型的 破坏机理：水流冲刷未护滩面后，护滩带边缘冲刷坑形成，随着冲刷坑的发展，边缘 排垫出现“悬挂、架空”等变形，原受护滩面受水流淘刷，当冲刷坑发展到一定阶段， 变形的护滩带受力( 有效重力及动水压力之和) 达到一定值或排体脉动压力瞬时增大， 护滩带变形一侧或两侧的排垫受力大于其抗拉强度，排垫撕裂，系结条断裂、块体脱 落，护滩带破坏，撕裂处滩面失去保护，直接受水流冲刷，冲刷坑向护滩带内部发展。 四面六边体透水框架由预制的6 根长度相等的钢筋混凝土框杆相互连接组成，呈 正三棱锥体，当水流通过时，利用本身构件来逐渐消减水流的动能，减缓流速，促使 水中泥沙落淤，达到护滩的目的【2 4 1 。室内试验和工程应用均表明，四面六边体透水框 架群作为- - 币t 新型护岸固滩技术，减速落淤作用十分明显【2 ”引。透水框架群的减速 落淤机理可概括为：透水框架群能分散消减水流能量，降低框架群区及框架群间隔区 的流速，不产生集中绕流，从而避免了实体抗冲的基础淘刷问题，而且能在近底区形 成阻力区，调整流速分布，从而对岸滩进行防护。 如何将这些护滩建筑物应用于航道整治工程应用当中，需要具体问题具体分析， 结合各类工程的实际情况，进行模型试验深入分析，提出经济合理的解决方案。 1 2 4 研究方法 ( 1 ) 数值模拟研究 数值模拟是根据水流运动规律，建立基本数学方程式，用数值方法来求解这些方 程式，得出水位和流速的近似解，分析相关的水动力条件。平面二维水流数学模型主 9 南京水利科学研究院硕士论文 要是为了克服一维水流数学模型无法模拟水流沿横向变化的不足而产生的，并且发展 迅速，目前计算较为成熟。早期主要应用于河口、海湾、湖泊等宽阔水域的数值模拟， 经过十多年的发展已经广泛应用到河流中。在工程巾应用广泛，积累了较丰富的经验。 国外二维水流数学模型发展较早，数量也较多，例如：早期的有美国 r n a j n a a r i h a t u a r i 的s e d i m e n t - 4 h ( 1 9 7 7 ) ，美国水道试验站的t a b s 2 ( 19 8 5 ) ，荷兰德 尔夫特水力研究所的r i v m o rz d 、s e d b i o 、r i v c o m 以及后来该所研制的著名的 d e f i 3 t d 模型。丹麦水科所( d h i ) 的m i k e 2 1 模型。 我国平面二维水流数学模型发展较快，许多学者建立了水流数学模型用以解决实 际工程问题1 2 9 q ”。例如沈永明、吴修广等人【2 9 3 2 1 模拟了实验室连续弯道和天然河流 的流速、水位和污染物扩散输移，数值模拟的结果是令人满意的。李大鸣、陈虹和李 世森 3 3 1 考虑了上、下游洪水边界的控制条件及糙率随河道流量变化的调整，提出了河 道洪水演进的二维水流数学模型的计算模拟方法。李艳红等针对山区河流边界地形 复杂、水位及流速变化剧烈的特点，用“混合五对角法 建立平面二维数学模型并求 解，进行水位和流速的数值模拟。随着高速电子计算机的发展及应用，平面二维河流 数学模型得以迅速发展，特别是对于河口、海岸等宽阔水域的计算己有较为成功的办 法，对于河道的计算也取得了较大的发展。 在水流的数值模拟中，常用的数值计算方法有：有限差分法、有限元法、有限体 积法和有限分析法。虽然采用的离散求解方法不同，但都有相同的特点：都是首先把 整个计算区域划分成许多小块或网格，然后在这些小块上把微分方程变成代数方程， 再把小块代数方程汇合成总体代数方程组，最后在一定的初边值条件下解此方程组， 得出求解区域内各节点上的物理量。所以数值模拟的正确与否和精确度取决于网格的 划分、方程的离散、初始边界条件、代数方程组的求解以及所建模型的物理理论依据 等几个因素。各种方法均有其自身优点和适应性，实际计算时方法的选择往往视具体 问题而定。 总之，二维水流数学模型是研究水流运动的重要手段之一，随着电子计算机的日 益发展与普及，水流数学模型得到了迅猛的发展，日益成熟，广泛用于解决治河、防 洪工程设计施工，洪水预报及防洪决策等各种实际工程问题。 ( 2 ) 物理模型试验研究 l o 长f ，游煦犁心滩水力特性及冲淤变形研究 物理模型试验方法是研究流动机理、分析流动现象、探讨并获得流场变化的一种 手段。物理模型是将河流海域地形和水动力运动特征等按相似原理缩小成模型，模拟 特定时段内的水流运动，用来分析和预测动力环境的变化。 河工模型试验是较早用于河流模拟研究的方法1 4 4 卅1 。t 九世纪初比尺模型开始 出现，因为当时试验和测量手段比较落后，控制主要由人工操作，模型的模拟精度比 较低。二十世纪中期，河工模型试验有了较大的发展，量测手段有了显著改善，模型 试验的方法也在不断完善。由正态定床模型试验，发展到变态，再到后来的动床模型 试验。随着现代科学技术和泥沙研究的发展，特别是计算机的出现和迅猛发展，近 1 0 年来，河工模型研究从设计方法到试验技术都取得了显著进展。河工模型试验手 段发生了巨大的变化，实现了计算机控制下的数字采集与控制。这些系统的研制和应 用不仅节省人力、物力，而且提高了试验成果的质量。在模型几何变率、比降二次变 态、模型沙的选择、宽级配非均匀沙模拟等方面也提出了新的理论和模拟方法。李昌 华、窦围仁等提出了模型最小水深比尺判据，以保证模型水流处于阻力平方区。李保 如、张红武等对黄河等模型提出以河流综合稳定性指标作为河流相似