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《河道整治工程水流影响数值计算分析研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在工程资料-天天文库。
1、河道整治工程水流影响数值计算分析研究摘要:采用二维非恒定水流泥沙有限元数学模型对某河段在典型水沙条件下的冲淤、水位、流速大小等值线、流场分布、河势以及水流平面形态等物理量的进行了计算和分析，研究了现有河道整治工程对水沙条件的适应性。关键词:二维水沙数学模型河道整治工程数值模拟1前言rti于江河湖泊水面宽阔水流散乱、沙洲多，河势主流多变，在一定的水流泥沙条件下,易形成“横河、斜河其至滚河”造成严重塌滩，当塌滩至险工和堤防时就可能发生严重的险情，抢护不及时就有破堤决口的危险，一旦出险，将给江河防洪带來及其被动的局曲，而口损失严重。因此，整治河
2、道，控导主流，稳定河势，减少“横河、斜河甚至滚河”的发生，防止冲决，在确保防洪安全中具有重要意义。対于水运航道，它不仅承担着水上运输的任务，而口具有重大的防洪责任，水上运输要求具有足够的水深和较小的河宽，而航道防洪耍求过水断面具有足够的过洪能力和较大的河宽。如何进行航道整治和航道规划意义非常重人；対于河口，由于河流动力和海洋动力的相互消长以及径流海洋泥沙的作用形成拦门沙，既影响江河洪水的排放，又影响大型集装箱的货轮的进出，因此，如何进行拦门沙整治工程的布置，研究拦门沙的形成原因,疏通拦门沙具有重大意义；同样，对于港口和海岸，由于海洋动力等
3、因索作用下的泥沙输移，在一定的条件下，极易造成港口的淤枳，要保证港口的止常运行，也要布设合适的港口整治工程，以防止泥沙对港口的淤积。对以上河口、港口、航道和河道等整治工程问题的解决，在八十年代末期以前主要靠实体模型解决，近十几年來，计算技术飞速发展，使得河口和河道数学模型以其口身的优势越來越多的应川到河海实际工程水沙运动的数值模拟中但是利用二维数学模型进行河道整治及其适应性研究特别是多沙河道整治的还不多见。为此，在以往二维数学模型的基础上，対某重点防洪河段花园口至夹河滩宽浅游荡性河道能否适应各种水沙条件述行了二维有限冗数值模拟初步计算和分
4、析研究。2基本方程、定解条件、离散模式和方程的求解2.1基本方程描述水流运动的基本方程为：8Z丄MU’H）“1=Udtdx也+s学+冋〃严字+竺誓"“贽dtdx}dxfC「Hdxjdxj式中，s为垂线平均流速；H为水深；Z为水位；C为谢才系数。C=-/?1/6（水力半径Rn=H）,g,p,£分别为重力加速度,水密度和粘滞系数。于为科氏力系数炉2血讯輪0为地球自转角速度，0为地理纬度）。J=-10为系数矩阵。泥沙运动方程为悬移质河床变形方程其中，〃为流速；Q为泥沙沉速；S和S*分別为水流含沙量和挟沙力，丫为淤积物干容重,6为泥沙扩散系数。.
5、人一泥沙非饱和系数；K
6、—考虑紊流脉动在水平方向产牛的扩散作用及泥沙存在产牛的附加影响而引入的修正系数，简称为附加系数；冬一平衡含沙量分布系数,详见⑷。水流挟沙力计算和河床糙率计算见国。2.2定解条件对边界条件，对于入流边界，给出水流流速（或单宽流量）和含沙量过程；对出口边界，给出水位过程线；对河道整治控导工程等固壁边界给定流速为（），对河道边界设法向流速为0,水流沿切线方向流速非0；初始条件，给出在计算的初始时刻的地形、流速、水位和含沙量等物理量的初始值。2方程的离散、求解以及模型的验证⑸同选用三角形常应变单元类型离散研究区域，对水沙方
7、程，用Galerkin加权余量法逼近；在离散区域的基础上，求出未知量在每个单元上的形函数；把形插值代入Galerkin积分表达式进行单元分析，建立局部有限元方程式；对所有局部有限元求和、总体合成建立总体有限元方程式，对总体方程加上本质边界条件，即可得到本问题的有限元方程式。对上述有限元方程在时间上对变量Z、U、V和S用向前差分格式离散，可得到一个1*1常微分方程组。用预佔校正法迭代求解方程组，当求出4、匕•、%和SJ后代入河床变形方程，求出河床冲淤变形的河床高程Z；J,完成水沙方程的求解。在文献［5］和［6］中对大河的水位、流量、流速和河
8、床冲淤等物理量进行验证，表明了数模计算结果与实测数据或物理模型试验结果符合较好，从而证明了模型的町靠性。河道整治二维数学模型的关键在于在河流二维模型的基础上，对大堤、坝垛、险工等控导护滩工程边界进行处理。3河道整治工程适应性的初步分析和二维数学模型计算4.1河道概况某河段花园口至夹河滩河段长约105km,工程总反度约123km，河道基本靠堤防和工程约束,堤距宽5-12km,河道比降1/5000〜1/6000,两岸的工程间距在4-5km,河槽宽2-5km,河相系数19〜32。见图1计算区域边界图。图1计算区域边界图4.2计算条件计算区域见图
9、1,整个计算区域划分成2640个三角网格单元，2793个结点。模型计算用初始地形根据2000年汛前1:10000河道地形图和2000汛前人断面制作，进口条件选用规划系列中的人水、屮水和小水年的
