發(fā)布時(shí)間：2020-11-12 08:32

　　 水庫壩下游河床演變作為河流動(dòng)力學(xué)及河流工程學(xué)中的一個(gè)關(guān)鍵問題,一直是該領(lǐng)域研究的關(guān)注焦點(diǎn)。修建大型水庫,將從根本上改變河流的水沙條件,從而引起壩下游一系列的河床演變,甚至發(fā)生河型轉(zhuǎn)化。河床演變不僅與水庫的運(yùn)用情況及其對水沙的調(diào)節(jié)能力以及水庫的淤積階段有關(guān),而且取決于原河道的邊界條件及河道特性。通常認(rèn)為,下游為基巖或卵石的河床,水庫的影響就可以忽略或很微弱;如為沙質(zhì)河床則這種影響常常很大。目前國內(nèi)外大型水庫壩下游的河道沖淤演變研究多集中于以懸移質(zhì)運(yùn)動(dòng)為主的沖積性河流,對于山區(qū)河流,由于其河床演變多以推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)來完成的,而推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)比懸移質(zhì)更加復(fù)雜,使得山區(qū)河流壩下游河道沖淤演變研究還不成熟。金沙江是長江的上游河段,也是我國西南典型的山區(qū)河流,水流湍急且比降較大,影響河床演變的主要原因是卵石推移質(zhì)運(yùn)動(dòng),而懸移質(zhì)則常常以沖瀉質(zhì)的方式輸移,基本不參加造床。金沙江下游修建大型水庫后,極大地改變了下游河道的水沙條件,壩下游河道沖刷,特別是重要涉水建筑物附近局部沖刷可能影響水庫的運(yùn)行調(diào)度、涉水建筑物和航運(yùn)安全。因此,開展金沙江大型水庫下游河床演變研究具有重大實(shí)用價(jià)值。針對山區(qū)河流河床組成級配寬,粒徑大小達(dá)7個(gè)數(shù)量級,不同粒徑泥沙運(yùn)動(dòng)和力學(xué)特性差異很大,輸沙機(jī)理非常復(fù)雜,致使山區(qū)河流水庫下游的河床演變研究相對較少的現(xiàn)狀,本文選取金沙江下游大型水庫向家壩下游河段為典型案例,通過原型觀測資料分析、數(shù)學(xué)模型預(yù)測,實(shí)體模型試驗(yàn)等技術(shù)手段,系統(tǒng)地研究了山區(qū)河流水庫下游河道沖淤演變規(guī)律,研發(fā)先進(jìn)的試驗(yàn)技術(shù)和測控系統(tǒng),分析了水沙特性,預(yù)測了山區(qū)河流水庫下游河床長期沖刷過程、機(jī)理與極限沖深,揭示了水庫下游近壩河段的沖淤演變規(guī)律,確定了卵石推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)對壩下游河段的影響,探明了壩下游重要涉水建筑物的局部沖刷,對于豐富河床演變學(xué)具有重要的理論意義,有助于從機(jī)理上認(rèn)識山區(qū)河流水庫下游河道再造床過程,對水庫的安全運(yùn)行和調(diào)度運(yùn)用也具有重大的實(shí)用價(jià)值,同時(shí)也填補(bǔ)了金沙江水庫下游河道沖淤演變研究的空白。取得的主要成果包括:(1)山區(qū)河流水庫蓄水運(yùn)用后,下游河床覆蓋層易被破壞,具有沖刷發(fā)展快、沿程衰減快、局部沖刷強(qiáng)度大等特點(diǎn)�；�于實(shí)測水文和地形資料,分析比較了不同時(shí)期研究河段徑流、泥沙、河道響應(yīng)特性,結(jié)果表明:2008年以前,向家壩下游河道處于天然狀態(tài),沒有發(fā)生明顯的趨勢性沖淤變化;2008年向家壩截流,至2012年,壩址下游約14km河道累計(jì)沖刷94萬m3,河床平均降低約0.56m,河床最深下切5m以上,沖刷主要集中在公路橋、水富碼頭附近河段;2012年10月向家壩水庫蓄水運(yùn)用,至2013年河道最大沖刷幅度雖較2008～2012年期間的要小,但由于90%以上泥沙被攔截在水庫里,下游河道沿程沖刷范圍增加,沖刷總量增大。(2)揭示了山區(qū)河流水庫下游河床沖刷機(jī)理與極限沖深。采用基于非均勻不平衡輸沙理論建立的數(shù)學(xué)模型,模擬了未來50年向家壩壩址至李莊的長距離河道沖淤,得到了該河段的累積沖淤量、懸移質(zhì)沖刷量、推移質(zhì)沖刷量、沖淤過程、沿程分布、床沙中值粒徑變化等,揭示了山區(qū)河流水庫下游河道沖刷強(qiáng)度隨時(shí)間快速衰減、沖刷幅度沿程減弱、床沙級配分選、河床沖刷粗化等機(jī)理。此外,通過河床極限沖刷和粗化理論,重點(diǎn)預(yù)測了河道的極限沖深和粒徑變化。(3)研發(fā)了先進(jìn)的試驗(yàn)技術(shù)和測控系統(tǒng)�？紤]到山區(qū)河流卵石推移質(zhì)對河床變形起主導(dǎo)作用,以及山區(qū)河道窄深的特性,采用動(dòng)床正態(tài)模型,并選用天然非均勻沙作為模型沙,開展山區(qū)河流壩(向家壩水電站)下游河床沖淤試驗(yàn)研究,最大程度上保證幾何相似、運(yùn)動(dòng)相似和動(dòng)力相似。同時(shí),基于先進(jìn)的儀器設(shè)備,開發(fā)的測控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)參數(shù)自動(dòng)控制、自動(dòng)測量和自動(dòng)采集,大大提高了試驗(yàn)成果的穩(wěn)定性、可重復(fù)性、可靠性和工作效率。(4)揭示了水庫下游近壩河段的沖淤演變規(guī)律。采用正態(tài)實(shí)體模型和天然非均勻沙作為模型沙,最大程度保證了水流和泥沙運(yùn)動(dòng)相似,開展了系列試驗(yàn),系統(tǒng)地揭示了山區(qū)河流水庫下游沖淤演變規(guī)律。①向家壩水電站蓄水運(yùn)用后,壩下游流態(tài)、流場不僅與下泄流量有關(guān),還與泄流建筑物位置和啟用條件有關(guān),造成有的地方流速隨流量增加反而變小,有的地方產(chǎn)生回流,流場紊亂、流態(tài)復(fù)雜,可能對航運(yùn)等產(chǎn)生一定影響。②流量為15000m3/s的典型洪水和一般水沙系列時(shí),下游近壩河段沖刷不明顯,當(dāng)流量為15000m3/s、20000m3/s和28200m3/s時(shí)河床平均下切約0.1m、0.6m和1.3m;豐水水沙系列時(shí)河床平均沖刷約0.6m。③消力池護(hù)坦下游在小于15000m3/s流量時(shí)基本不形成沖刷坑,在20000m3/s流量時(shí),左、右護(hù)坦下游形成兩個(gè)獨(dú)立的沖刷坑,左護(hù)坦下游沖刷坑長度約128m,右護(hù)坦下游沖刷坑長度約184m;在28200m3/s流量時(shí),左、右護(hù)坦下游的沖刷坑連成一片,沖刷坑最大長度約280m,面積約3000m2,最大沖刷深度在10m左右。④引航道導(dǎo)墻外側(cè)在15000m3/s、20000m3/s和28200m3/s流量時(shí),最大沖刷深度分別為2m、5m和8m左右,此外引航道口門附近航道內(nèi)會(huì)發(fā)生泥沙淤積。⑤水富碼頭在各級流量下都會(huì)發(fā)生一定的局部沖刷,在碼頭上游的迎水面和碼頭靠河道主流一側(cè)的上半部分形成沖刷坑,28200 m3/s流量時(shí)沖刷坑寬度約10余米,最大沖刷深度約3.5m;水富碼頭的存在會(huì)加劇局部河床的沖刷或減輕淤積,對碼頭至鐵路橋河段河床沖淤的貢獻(xiàn)率在50%左右。⑥鐵路橋左岸橋墩最大沖刷深度一般在5～8m,沖刷半徑一般在8～10m,右岸橋墩最大沖刷深度一般4m以內(nèi),沖刷坑半徑一般在8m以內(nèi)。(5)提出了重點(diǎn)部位治理建議和措施。研究結(jié)果表明,在20年一遇洪水時(shí)(28200m3/s)下游6km河段平均沖刷深度也只有3m左右,河床總體上比較穩(wěn)定,只需現(xiàn)場監(jiān)測,不需要進(jìn)行大規(guī)模河道治理。在一般洪水(流量小于15000 m3/s)情況下,消力池護(hù)坦下游、引航道口門、水富碼頭、內(nèi)昆線鐵路橋橋墩附近河床沖刷坑有限,只需現(xiàn)場監(jiān)測,不需治理。但在大洪水(流量28200 m3/s)情況下,上述涉水建筑物附近河床會(huì)形成較大沖刷坑,需加強(qiáng)觀測,必要時(shí)應(yīng)進(jìn)行拋石治理,保障運(yùn)行安全。引航道口門內(nèi)附近區(qū)域會(huì)發(fā)生泥沙淤積,建議加強(qiáng)泥沙淤積監(jiān)測,必要時(shí)應(yīng)進(jìn)行清淤。
【學(xué)位單位】：中國水利水電科學(xué)研究院
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2017
【中圖分類】：TV147
【部分圖文】：

向家巧水電站于２００８年口月截流后，水庫訊期水位最大抬高約７ｍ，部分??推移質(zhì)和懸移質(zhì)泥沙在圍瑕庫區(qū)游積，出庫水流挾沙能力出現(xiàn)富余，下游河道開??始沖刷。根據(jù)２００８年￣２０１１年向家項(xiàng)專用水文站水位流量關(guān)系（如圖１－１所示）??曲線分析得知：小流量時(shí)水位變化不大，但當(dāng)流量在７〇〇〇ｍ３／ｓ？１６０００ｍ３／ｓ時(shí)，同??流量水位出現(xiàn)下降，平均下降了化２ｍ，其中流量在ｌＯＯＯＯｍＶｓ左右時(shí)，水位下降??最為明顯

最大漱積厚度達(dá)４ｍ，最大沖刷深度達(dá)６ｍ，整個(gè)河段Ｗ沖刷為主。金沙江公路橋??和鐵路橋斷面沖刷深度分別達(dá)到３ｍ和５ｍ左右，而且這種沖刷基本上是Ｗ整個(gè)??河槽平行下切的方式進(jìn)行，圖１－３表明，鐵路橋上游約３０ｍ處的Ｓ３３號斷面和??下游約３０ｍ的Ｓ３４號斷面，其主河槽幾乎平行下切４ｍ￣５ｍ。??６???－?．??１??Ｉ?２００８年３月－２０１２年２月主槽沖汲幅度Ｉ??＼?Ａｘ?／Ａ?Ｉ斷面編號Ｉ??２－－－－－廣?ｆ＼－?乂－＼???Ａ?２?３?４?５?６?７／?８?９?１６．１１１２１３１４１５１６１７１８＾２

號斷面的強(qiáng)烈沖刷可能與水富新碼頭修建有較大關(guān)系Ｉ其改變了局部水流條件導(dǎo)??致上游奎水游積和下游挑流沖刷。??圖１－２所展示的沖游變化充分說明：如果山區(qū)河道水沙條件和局部水流發(fā)生??較大變化，向家巧水庫下游河床不僅可沖，而且沖刷幅度可能會(huì)很大。究其原因，??主要是河床質(zhì)的級配組成。圖１－４是向家巧庫區(qū)不同河段本底表層床沙級配曲線，??從中可Ｗ看出９５％Ｗ上的表層床沙粒徑大于１０ｍｍ，說明天然條件下１０ｍｍ?下??床沙基本上全部被水流沖走而無法在河床表層停留，這與山區(qū)河流坡大流急是一??致的。圖１－５是向家頓庫區(qū)不同河段本底表層０．５ｍ?下的深居床沙級配，可??看出級配圖形似＂躺椅＂狀，出現(xiàn)了所謂兩極分化現(xiàn)象，較細(xì)泥沙和??較粗的泥沙（＞１０ｍｍ）都大量存在，而粒徑適中的泥沙（ｌｍｍ＜ｄ＜１０ｍｍ）則幾??乎沒有。這主要是因?yàn)椋盒∮冢保恚淼哪嗌呈苷辰Y(jié)力作用而不易起動(dòng)；大于１０ｍｍ??的泥沙受重力作用而不易起動(dòng)；介于ｌｍｍ＜ｄ＜１０ｍｍ泥沙的臨界相對拖曳力相對??較小
【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2880521