心滩守护工程之航道水沙特性数值模拟分析

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1、心滩守护工程之航道水沙特性数值模拟分析1概述1.1研究意义心滩（潜洲）是河心凸出床面的水下游积体，一般低于平滩水位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。不论是顺直型、弯曲型、分汊型和游荡型中的任何一类河流，在水流流速减缓区均可能出现心滩游积体，如长江中下游的河段中普遍存在心滩和江心洲。心滩因孤立于河心往往使得中枯水的水深不能满足航道通航水深要求。实践表明，当心滩形态完整稳定时，往往可为航道提供稳定的导流边界，是航道稳定畅通的基础；而当心滩滩体不稳定（心滩下移或被冲散）时，又将直接影响到航道尺度的稳定，受冲下移的心滩泥沙将输移到航道内使得航

2、道内水深不能满足通航要求，同时被冲散的心滩滩面因窜沟多、水流分散，也将引起航槽位置的不稳定或者航道通航水深的不足。长江中下游重点碍航浅滩普遍存在有边滩、心滩及江心洲头低滩等，当洪水期间，心滩就增大游高，顶部覆盖了悬移质泥沙，发展成经常露于水面之上的江心洲，又称沙岛。江心洲比较稳定，但通常由于洲头不断冲刷，洲尾不断游积，整个江心洲很缓慢地向下移动。由于心滩和江心洲的发展，使河道分汊，河床不稳定。在一定的条件下边滩和心滩可以互相转化，它们也都可能发展成河漫滩的一部分。长江中下游典型心滩主要有太平口水道的三八滩⑷、藕池口河段的倒口窜心滩[5]、嘉鱼-燕子窝水道的燕子窝心滩[6]、武穴水

3、道的鸭儿洲心滩[7]、东流水道水道的老虎滩[8]等等，这些心滩往往位于河道中心，演变频繁，滞洪碍航，整治难度较大，是水利和航道部门共同关注的焦点。多年来，航道工们积极探索对存在心滩的重点碍航浅滩整治方法，主要是利用护滩整治建筑物对已有的滩体进行保护或使其往有利的方向演变，以达到保护江岸大堤和稳定主航槽的目的。目前现有的护心滩结构大致分为三类[9]:散抛块体护滩、现体护滩、软体排护滩带护滩。散抛块体护滩主要指的是抛石护滩，即在滩面上散抛50?80cm左右的块石进行护滩，它主要用于水深较小（一般小于3m)、流速不大（一般小于1.5ni/s)、河床变形较缓慢、地质条件较好的河段，如卵石

4、滩或砂卵石滩，近年来水利部门多有应用；现体护滩主要指通过建设坝体或现体群达到护滩的效果，现体形式有丁现、顺现、锁现、潜琐等，现体护滩主要在黄河、闽江、西江等河流整治中应用，长江上也有应用，根据资料表明近年来现体的水毁现象非常严重；软体排护滩（护滩带）是一种新型的航道整治建筑物，其主要作用是保护较为高大完整的边滩、心滩在水流作用下免遭破坏，进而达到稳定枯水航槽的目的。三峡工程蓄水运行后，上游来沙量大量减少，下泄水流呈不饱和状态现下河道将进入清水冲刷期，伴随着这个过程，原有经过整治的部分浅滩，工程的稳定和加固问题需要研究，尚未进行整治的浅滩碍航条件可能会进一步恶化，各种滩体的水力特性

5、和冲刷变形将会更加复杂。为了保证长江航道系统整治工程的顺利实施和可靠性，并保持整治效果和稳定性，必须解决相关的航道治理关键技术。特别是随着中水流量过程延长，主流顶冲位置较为固定，长江中下游心滩的稳定性将受到更为严重的威胁，进而对长江中下游航道条件带来不利影响。综上所述，心滩守护以后，滩槽演变规律会随之发生变化。因此，掌握航道整治工程对滩槽演变的影响对于工程的成败至关重要，这主要取决于对心滩守护前后水流、泥沙运动和河床滩槽演变规律相互作用机理的认识程度。可见，为了充分达到心滩守护工程稳定、改善航道条件的效果，有必要综合运用物理模型试验和数值模拟试验等多种手段系统研究整治工程对心滩河

6、段水沙运动及滩槽演变的影响。1.2背景概述1.2.1心滩水沙运动特性目前，国内外学者专门针对心滩水沙特性基础理论的研究较少，从査阅近年来的资料来看，对心滩河段水沙特性的研究成果多见于两类。一类是服务航道整治工程而幵展的心滩物理模型试验研究，如曹民雄等针对长江下游口岸直水道鰻负沙心滩守护工程幵展了心滩头部局部冲刷概化模型试验研究。研究采用正态模型模拟河床局部冲刷，研究中依据流带法与试验场地条件取觸鱼沙护滩处一定宽度的流带，采用水槽固定边界研究:司流量级的水流运动，结合各级流量的水流流向确定水槽边墙位置，试验水槽长度为40m，宽度为5m的微弯水槽，水流采用自循环系统，水槽进口由复合堪

7、控制流量，出口由翻板式尾门控制水位。试验中的软体排采用棉布+绍片来模拟工程实际中聚丙稀编织布+混凝土块压载体，试验中用石子模拟工程实际中的抛石。研究结果表明：觸鱼沙心滩头部守护工程实施后局部最大冲深达到6m左右，冲刷坑主要出现在护滩工程头部侧边缘附近，护滩带头部及两翼边沿需要加强，抛石压载需要加宽。这些研究结论主要服务于工程实际，确定心滩守护区域的重点位置。但对于心滩守护工程实施后引起的航道水沙输移特性基本理论提炼尚未进一步幵展。2护心滩建筑物对航道演变的影响一现有实验概述前述已