水利枢纽水动力泥沙模拟

序

前言

符号表

章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 国内外研究概况 3

1.2.1 水库泥沙淤积与防治 3

1.2.2 枢纽下游河床演变与治理 5

1.2.3 水动力泥沙及河床演变模拟 10

参考文献 12

第2章 梯级水库泥沙淤积与河床演变 19

2.1 径流变化特征 19

2.1.1 单库运行 19

2.1.2 联合运行 27

2.2 水库输沙特性 32

2.2.1 梯级水库输沙特性 32

2.2.2 梯级水库联合运行的影响 37

2.3 水库淤积与河床演变 38

2.3.1 水库淤积变化 38

2.3.2 淤积形态与演变 46

2.3.3 水库排沙调度 50

参考文献 56

第3章 水利枢纽下泄非恒定流与河床演变 58

3.1 径流特性变化 58

3.1.1 径流变化一般特性 58

3.1.2 枢纽调节引起的日内流量变化 60

3.2 枢纽下泄非恒定流传播规律 73

3.2.1 日调节波的衰减 73

3.2.2 附加比降 75

3.2.3 水位流量关系 76

3.2.4 日调节波变形 77

3.3 泥沙输移特性变化 79

3.4 枢纽调节引起的下游河床演变规律及水位降落 84

3.4.1 枢纽下游断面形态调整 84

3.4.2 枢纽下游纵比降调整 88

3.4.3 河势与浅滩演变规律变化 95

3.4.4 河床平面形态变化及河道稳定性分析 97

3.4.5 日调节波对河床演变的影响 99

3.4.6 枢纽下游同流量水位降落 100

参考文献 102

第4章 梯级水库泥沙数值模拟技术 103

4.1 梯级水库水沙数值模拟研究进展 103

4.2 一维非恒定水沙数学模型 105

4.2.1 数学模型基本方程及解法 105

4.2.2 悬移质计算重要参数 108

4.2.3 卵石推移质计算方法 113

4.3 数学模型的验证 115

4.3.1 三峡水库验证 115

4.3.2 溪洛渡与向家坝水库验证 120

4.4 金沙江下游梯级水库模拟计算 122

4.4.1 乌东德水库泥沙数值模拟计算 123

4.4.2 白鹤滩水库泥沙数值模拟计算 126

4.4.3 溪洛渡水库泥沙数值模拟计算 130

4.4.4 向家坝水库泥沙数值模拟计算 133

参考文献 136

第5章 水利枢纽下泄非恒定流冲淤数值模拟技术 138

5.1 水沙数值模拟研究进展 138

5.1.1 一维水沙数学模型 138

5.1.2 二维水沙数学模型 140

5.1.3 三维水沙数学模型 144

5.2 一维非恒定水沙数学模型 146

5.2.1 基本方程 146

5.2.2 初始条件和边界条件 147

5.2.3 基本方程的离散 147

5.2.4 关键问题的处理 149

5.2.5 模型验证——以两坝间河段水沙验证为例 152

5.3 二维非恒定水沙数学模型 160

5.3.1 控制方程 160

5.3.2 数值计算格式 163

5.3.3 边界条件及动边界技术 166

5.3.4 计算方法 167

5.3.5 关键问题的处理 167

5.3.6 模型验证 170

5.4 三维非恒定水沙数学模型 182

5.4.1 控制方程 183

5.4.2 紊流随机理论模型的参数及特点 185

5.4.3 定解条件 188

5.4.4 水流控制方程的离散及求解 194

5.4.5 模型验证 200

参考文献 211

第6章 水库（枢纽）泥沙物理模型模拟技术 217

6.1 水库泥沙物理模拟研究进展 217

6.2 模型相似律 219

6.2.1 水流定床模型试验 219

6.2.2 推移质泥沙模型 220

6.2.3 悬移质泥沙模型 220

6.2.4 模型设计条件 221

6.3 几个关键问题讨论 221

6.3.1 模型变率的 221

6.3.2 时间变态 223

6.3.3 悬移质含沙量比尺的选取 224

6.3.4 动床冲淤验证试验 226

6.4 重力相似偏离问题 227

6.4.1 概述 227

6.4.2 模型设计 228

6.4.3 重力相似条件偏离对弯道水流运动的影响 231

6.4.4 重力相似条件偏离对弯道河床变形的影响 233

6.5 常用模型沙密实过程及对起动流速的影响 240

6.5.1 电木粉 240

6.5.2 煤粉 247

6.6 竹粉模型沙的研制 255

6.6.1 物理特性 255

6.6.2 运动特性 257

参考文献 261

第7章 水利枢纽变动回水区和坝区泥沙淤积及影响 264

7.1 长江三峡水库坝区泥沙淤积及对航道影响 264

7.1.1 三峡工程概况 264

7.1.2 模型设计 264

7.1.3 模型验证 270

7.2 黄河刘家峡水库库区末端泥沙淤积及对航道影响 277

7.2.1 刘家峡水库概况 277

7.2.2 模型设计 278

7.2.3 模型验证 281

参考文献 293

第8章 水利枢纽下游河床冲淤与航道治理 294

8.1 金沙江梯级水库下游重点滩段河势及航道条件变化 295

8.1.1 河道概况及泥沙特性 295

8.1.2 向家坝下游二维水沙数学模型的建立与验证 296

8.1.3 金沙江梯级水库下游河道冲淤 298

8.1.4 重点浅滩河势变化及对航道条件的影响 301

8.2 长江葛洲坝枢纽下游水位变化对船闸与航道影响及治理措施 308

8.2.1 近坝段水位变化对通航影响分析 308

8.2.2 宜昌枯水位下降及治理措施 319

8.2.3 胭脂坝护底及坝头保护工程对抑制宜昌枯水位下降的效应 346

8.3 西江中游长洲枢纽下游航道治理措施 350

8.3.1 河道概况及水文泥沙特性 350

8.3.2 长洲枢纽下游水流及河床变形验证 352

8.3.3 长洲枢纽下游界首滩河段整治措施 357

8.3.4 长洲枢纽下游三滩河段整治措施 359

8.3.5 长洲枢纽下泄非恒定流对界首滩及三滩河段航深的影响 362

8.4 松花江大顶子山枢纽下游非衔接段浅滩治理措施 363

8.4.1 河道概况及水文泥沙特性 363

8.4.2 非衔接段浅滩整治中需要考虑的问题 366

8.4.3 大顶子山枢纽下游非衔接浅滩段航道条件分析及整治措施 368

8.4.4 大顶子山枢纽下游非衔接浅滩段整治工程试验成果分析 372

参考文献 3762100433B

本书系统分析了水利枢纽库区泥沙淤积、坝下河床调整与航道治理等问题，揭示了水库输沙特性与枢纽下泄非恒定流的冲淤机理及河床演变规律，提出了水库泥沙数值模拟与物理模型模拟技术、枢纽下泄非恒定流冲淤数值模拟技术。研究成果已经直接应用于长江、黄河、西江、汉江、松花江、嘉陵江等河流，并已得到了三峡、葛洲坝、刘家峡等水利枢纽工程实践的检验。

为掌握张峰水库水沙运动规律, 水库泥沙观测内容包括库区淤积变化、出库泥沙变化。

1) 库区泥沙淤积观测项目。

库区淤积测验的内容包括:

库容变化、库区冲淤数量、分布和形态及其粒径组成。目的是通过淤积测验资料分析, 了解水库有效库容的损失以及泥沙淤积在不同水、沙条件和运用条件下的变化规律, 以制定水库合理地调水、调沙方案。

2) 出库泥沙观测项目。

通过出库水文站水沙测验成果和库区泥沙淤积量观测成果对比分析, 掌握每年入、出库的泥沙总量并进行水沙量平衡计算, 进一步核定实际排沙比, 确定出库泥沙级配, 以掌握水库不同运行方式下的排沙效果。因此, 出库悬移质测验的主要内容除了测定流量外, 还必需测定水流含沙量。悬移质泥沙测验包括断面输沙率和单沙测验。

主要测验项目有: 出库悬移质输沙率、含沙量、颗粒级配等。泥沙观测方法及断面布设库区泥沙淤积观测

水库泥沙观测的任务是，掌握：①各测验断面的含沙量、输沙量；②泥沙颗粒级配；③含沙量沿垂向与横向分布情况；④泥沙运行与水深、流量、流速的关系；⑤冲刷、淤积部位与数量；⑥淤积物性质；⑦异重流运动规律；⑧异重流排沙效果以及泄流设施因底坎高程不同的分沙作用等。

中国自20世纪50年代开始进行水库泥沙的观测和研究，采取了野外观测与试验研究相结合的办法。在观测方面，己有一套行之有效的组织和实施方法，并开始应用同位素和光电含沙量仪、光电颗粒分析仪等观测分析仪器。在研究方面，基本掌握了水库泥沙淤积和异重流运动的规律。通过水库泥沙观测和三门峡水利枢纽工程的改建和探索运用，逐步探索出一套“蓄清排浑”运用方式，为解决多泥沙河流上水库规划建设和长期使用问题提供了实践依据。已能对水库不同条件下的冲淤变化和异重流排沙进行定量的预估。

20世纪80年代以来，美国、法国等国家利用遥感技术和水下地形仪研究河道输沙、冲淤，水库湖泊悬移质含沙量分布和水库淤积位置及过程等，取得了有一定价值的资料。