河道疏浚回淤过程数值模拟(方春明,黄永健)

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河道疏浚回淤过程数值模拟

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方春明黄永健水利论文/\ P+~6k,G;f3A
中国水利水电科学研究院)

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摘  要:以平面二维水流泥沙数学模型为基础,对河道挖槽疏浚回淤过程的一般规律进行了模拟。模型考虑了河道的横向展宽,先模拟出一条概化的稳定平衡河槽,再模拟开挖后的回淤过程,因而挖槽回淤模拟排除了挖槽外的其它因素影响。对于本文中的概化河道,得出了开挖后的回淤量与淤积分布规律。挖槽河段在很长一段时间内保持比原平衡河道较窄深的断面形态,说明挖槽疏浚对河道输沙和洪水灾害防治是有利的。水利论文!@y ]*Gx)FTE2i

关键词:挖槽疏浚;回淤;平衡河槽水利论文#t0Die4t+BA(O

1前言

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  用清淤疏浚的办法治理河道在国内外已进行了很多研究和试验[1]。如北欧的Meuse河打算对下游120km的河道挖深3m,以减小洪水的威胁。这是一条少沙河流,1996年先期进行了20km的挖槽试验[2]监测结果显示挖槽对洪水位降低起到了预期的效果。1997年至1998年在黄河西河口以上CS6断面到利津以下35km左右的朱家屋子断面,也进行了挖河试验,挖河长度11km左右,开挖河槽宽200m,深2.5m。山东黄河河务局和黄河水利科学研究院的观测与研究表明[3],挖沙河段初期回淤较快,当回淤量占挖沙量的77%时,挖沙河段达到总体输沙平衡。但黄河是累计性淤积河道,19965月在清8断面以上进行了人工改汊,河长较原河长缩短了16km,河道发生冲刷,对挖河回淤会有影响。水利论文g WyJ9T!H2Y9nE9j

  对河道疏浚的效果及疏浚后的回淤问题除进行原形观测和实验外,用数学模型进行模拟应是一种经济有效的办法,这方面的研究也已有不少[4]Meuse河的挖河试验作了一维数学模型计算。黄河的挖河试验也作了相应的实体模型和数学模型研究。对港口航道等挖槽回淤的数学模型计算就更多。但这些研究一般针对特定对象,河道本身一般处于不平衡状态。本文以平面二维水流泥沙数学模型为基础,在模拟出平衡河槽后,再模拟河槽的挖槽回淤过程,是对河槽挖槽回淤过程一般规律的模拟。由于河道疏浚挖槽较长(比水深大得多),且一般不是全断面挖深,用平面二维模型模拟是合适的,除挖槽起止局部区域外,模拟结果应能反映实际。

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2模型基本方程水利论文T4}vz6V#O@s/\

  水流运动计算采用的基本方程为

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(1)

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求解时采用ADI法。水利论文7pu TpR9_/P

  悬移质泥沙运动方程为水利论文+h,D dq I*J*x"S

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  方程中的挟沙能力公式根据具体河道选用。对泥沙运动方程的求解也采用ADI法。

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3模拟稳定平衡河槽水利论文9v3AK]`8R3L}

  对于本身就处于不平衡状态的河槽,河道疏浚后的回淤过程既受疏浚的影响也受河道本身不平衡的影响,为只研究疏浚的回淤过程,有必要先模拟出一条稳定平衡的河槽。河槽在水流方向的平衡容易模拟,但在横向的平衡模拟要复杂些,涉及到如何模拟稳定河宽和稳定断面形状的问题。要模拟河槽的稳定宽度(假定为能自由展宽的冲积河道),则必须引入河岸的稳定性条件。由天然河道的观察可知,河岸的不稳定性主要表现为两种形式。一种是河岸陡坎高达到一定程度后的坍塌,也有当河岸边坡达到一定坡度后的滑坡,河岸的坍塌和滑坡都是间断性的;另一种是河岸的侧蚀或淤积,是一种较为持续性的横断面变化。本模型中对这两种变化作了简化模拟。水利论文R@ [ yigWP5ym

3.1河岸侧蚀和淤积水利论文K Q ar,K8g N+hE:h3O

  在以往的研究中,一般假定河岸的直接侵蚀后退速度为沿河岸平行发生,采用这种形式的计算水利论文^,L YK/fy$`B7{

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(3)

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式中Δ为河岸变化宽度,φ为经验系数,τb为作用于河岸水流剪切力,τc为河岸物质临界剪切力。

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  本模型中不采用这种模式,因为这种模式用于模拟横断面平衡时不适合用来计算河槽的缩窄过程,因而展宽和缩窄不能统一处理。Park[5]基于深度平均的泥沙数学模型指出,考虑到河道一般中间含沙量大,岸边含沙量较小,河道中间的泥沙不断向岸边扩散,同时由于河床横比降将引起横断面上泥沙向中心输移,这两者形成横断面泥沙平衡机制。当然,B.Christensen等基于三维水流运动的数学模型说明泥沙在横断面上的对流扩散比Park的分析要复杂[6]。对于这个复杂的问题,其机理有待进一步研究。这里采用Park的平衡机制,并简单地假定床面泥沙在断面横比降的作用下其流动的单宽输沙率为

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其中Cs为系数,Jy为横比降,V为水流速度,Vc为泥沙起动速度。

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  加入横断面上泥沙平衡机制(4)式后就能模拟出横断面平衡形态。水利论文K&It*wu4|

3.2河岸坍塌模拟

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  天然河道的河岸坍塌和滑坡是间断性的,都是在重力作用下产生的。黄金池在其平面二维泥沙数学模型中提出了一套较复杂的模拟方法[7]。本模型中对坍塌和滑坡的处理作了如下简化:首先把河岸的滑坡也简化成崩塌,因为河岸的滑坡坡角一般较大,坡面至坡脚的距离较短,当模拟大江大河时,这一距离可能比计算网格尺度小而不能分辨;其次,本模型以陡坎高差作为崩塌临界条件、当陡坎高差超过某一临界值hc时即发生崩塌。hc的值应与具体的河床组成物等条件有关。当计算网格较大时陡坎高差即是相邻网格点床面高差。水利论文 |2sWU:cf

3.3模拟实例水利论文(BO@ W$p1jO|^

  现就3.13.2节提出的模拟平衡河槽的方法进行计算。由于这里并不针对某一具体河道,只概化一条简单规则的河道。设河道是顺直的,河道来流流量Q=1000m3/s,含沙量S=30kg/m3,平均粒径为0.025mm。计算河段长为30km。假定陡坎稳定高度为hc=1.0m。(4)式的系数Cs取为0.05时,计算得到平衡横断面如图1所示。平衡河宽约为550m,水深约为3.5m,平衡比降0.3/10000.这里平衡河槽计算方法中的两个参数hcCs可根据不同的河流具体情况来定。在河槽急剧崩塌展宽时hc对展宽速度有影响,在河槽缓慢展宽或接近平衡时hc一般不再起作用。

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  而Cs的值对平衡河宽有影响,如取Cs=0.06,其它参数不变时,平衡横断面河宽约为700m,水深约为3.0m水利论文~9Na%qzDCV a/w

  就顺直河道而言,这里平衡河槽的模拟结果不受断面初始形态的影响,在各参数选定后,计算足够长时段后最终得到的平衡河槽都是一样的。这里选定的参数使得最终得到的概化河道的河宽、水深和河相关系等形态参数与天然河道关系比较符合。水利论文)uX3V7sc7ZE2k }'e

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1平衡河槽模拟水利论文 L|,CTs.q0o:B]

4河道挖槽回淤过程模拟水利论文`*O7h2seU'G6a

  在模拟出平衡河槽后就可以在此基础上模拟挖槽后的回淤过程。以3.3节中模拟的平衡河槽(Cs=0.05)为初始河槽,河槽中开挖一段长约11km,宽约200m,2.5m,边陂约1/20的槽。河道开挖后在进出口水沙条件不变的情况下模拟其回淤过程。

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  图2为河段中泓纵剖面的变化过程。由图可知,回淤开始几天内,开挖段淤积很快,开挖段以上河段冲刷,开挖段以下也略有冲刷。回淤约10天以后开挖段以上河段开始回淤,开挖段以下停止冲刷。随着开挖段的不断淤积,开挖段以下河道大约在20天以后临近开挖段冲刷,远离开挖段淤积。90天以后冲淤变得非常缓慢,开挖河段以上河床保持比原河床略低。    

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U _M2`0X:\y'R;N02纵剖面冲淤变化过程水利论文 J1p2G%o2BK^C;Y

  图3为开挖段回淤过程横断面变化。开挖段的淤积开始时集中在开挖槽内,而后挖槽两侧原平衡河床上淤积加快。至第90天,开挖段横断面已变化缓慢,形态比原平衡横断面窄深些。需要说明的是,由于方程(2)求解时数值扩散的存在,水流比较散乱时数值扩散作用大些,因而计算得出的河道稍微窄深些,也就是说,图3中两侧的淤积比实际的略多些。

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JpK)`1HJ03挖槽断面冲淤变化过程

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  图4为挖槽回淤量随时间变化过程,挖槽回淤过程先快后慢,至第90天时回淤527万方,比挖槽方量428万方多了23%。由图3可以看出,这多淤积的泥沙位于挖槽段两侧的河床上。考虑到挖槽两侧的计算淤积比实际略大,实际的回淤量应小于挖方量的123%。当然回淤量的比率应与挖槽的相对大小和水沙条件等有关,这里得到的比率只是针对本概化模型的挖槽方案的。第90天后河道开始由淤转冲,最终将恢复平衡,但这一过程很慢。因此挖槽河段在很长一段时间内保持比原平衡河道较窄深的断面形态,这对泥沙输移和洪水灾害防治是有利的。

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4挖槽回淤量变化过程

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5挖槽河段回淤量沿程分布

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5为回淤90天时冲淤量沿程累计,可见淤积集中在开挖段,开挖段以上和以下河段略有冲刷。水利论文^OuDTB;@ y

5结语

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  本文利用平面二维水流泥沙数学模型,在考虑河槽横向展宽的条件下,先模拟出概化平衡河槽。在模拟出平衡河槽后,再模拟挖槽回淤过程,得到了概化河道的回淤量和淤积分布。挖槽河段在很长一段时间内保持比原平衡河道较窄深的断面形态,挖槽疏浚对泥沙输移和洪水灾害防治是有利的。本模型下一步将结合挖槽疏浚模型试验,针对不同的河型和挖槽方案作进一步研究和计算。

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参 考 文 献

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[]胡春宏等。我国江河湖库清淤疏浚实践与分析。泥沙研究,1998(4).

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[2] M.Schropp & A.Wolters, Lowering the flood levels of the River Meuse by dredging the river bed, First results of a pilot project. Proceeding of the Seventh International Symposium on River Sedimentation,1998,pp.475-479.水利论文(` R&b6L*U

[3]刘月兰等。山东黄河挖河试验河段冲淤情况分析。人民黄河,199921卷,第4期。

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[4]黄永健。长江口挖槽自然回淤的计算。泥沙研究,1997(2).水利论文#`E\'^!Fvs3N

[5] Park, G.(1978)."Self-formed straight rivers with equilibrium banks and mobile bed. Part 1. The sand-silt rivers". J.Fluid Mech., Vol.89,part 1,pp.109-125.水利论文O`e$J)p*b!`$f? F

[6] B.Christensen & J.Fredsoe, Lateral convection and diffusion of sediment in straight rivers. Proceeding of the Seventh International Symposium on River Sedimentation,1998,pp.45-51.水利论文:[&Kw?E)^P3[

[7]黄金池。黄河下游河床演变平面二维数学模型。中国水利水电科学研究院博士论文,19976月。水利论文k&A/Tc*dh

 水利论文BGH/m~

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