高含沙水流模拟的几个关键技术问题研究

作     者：邓安军 

作者单位：中国水利水电科学研究院 

学位级别：硕士

导师姓名：郭庆超

授予年度：2007年

学科分类：08[工学] 081502[工学-水力学及河流动力学] 0815[工学-水利工程] 

主      题：高含沙水流 挟沙力 糙率 断面 恢复饱和系数 

摘      要：通过分析实测资料，研究了挟沙力、综合糙率系数、断面变形规律，以及恢复饱和系数等高含沙水流模拟的几个关键技术问题，得到如下认识。 (1)避开高含沙水流挟沙力复杂的物理概念，通过分析前人的研究成果和实测资料，认为水流挟沙力的影响因素主要有含沙量、流速、温度、中值粒径以及泥沙颗粒的非均匀系数，并且存在临界含沙量(约为70kg/m)，高于该含沙量与低于该含沙量时各因素对水流输沙能力的影响效果不一定相同。进一步建立了计算水流挟沙力的BP网络模型，通过检验，符合程度较高，预测误差远小于一般水流挟沙力公式的计算误差。 (2)挟沙水流的综合糙率系数与流量、水位的相关关系较差;与含沙量的相关关系较好，并且综合糙率系数随着含沙量的增加先减小后增加;与佛氏数的相关关系最好，在天然河道中可以根据佛氏数计算糙率系数。影响高含沙水流糙率系数的因素主要有床沙组成、含沙量及水流佛氏数，以三个影响因素为输入因子，综合糙率系数为输出变量，建立了BP网络模型，实践表明该模型是可以用于计算糙率系数的，其计算精度明显优于公式(3-16)，公式(3-16)的计算精度略优于张红武公式。目前来说，这三种计算方法是计算挟沙水流综合糙率系数比较理想的方法。 (3)断面各测点流速与水深基本成正比关系，但在数学模型计算时需要适当修正;含沙量沿断面的横向分布仍可用张红武公式计算，只是系数不再为定值，而是含沙量的函数，系数随含沙量的增加而增大，可根据式(4-3)计算系数a;断面测点泥沙中值粒径与测点含沙量成正比。 (4)断面主槽面积和断面宽深比的变化既与来水来沙条件有关，又与边界条件有关。只有在边界条件变化不大的条件下，主槽面积与河相关系才与水沙条件有良好的关系。所以目前的一些只与水沙条件有关的控制河宽或河相关系的经验公式在运用时需要慎重。通过分析实测断面资料，以及对渭河及三门峡库区物理模型试验时的适时地形变化观测，定性认为对冲积河流的冲淤量沿横断面的分布是尽量适应来水来沙条件的变化，并提出了发生冲淤时断面变化规律以及模拟河道展宽的方法。 (5)通过分析认为可以假定河底含沙量与垂线平均含沙量的比值是垂线平均含沙量的函数，即式(5-10)及式(5-11)，从而推导出新的河床变形方程，该方程符合泥沙运动力学的基本理论。通过对新的河床变形方程的探讨，发现一般意义上的恢复饱和系数实际上是一个综合参数，而不再是河底含沙量与垂线平均含沙量的比值，可以取远小于1的值。 这些研究成果可以用来改进泥沙数学模型，以提高高含沙水流数学模型的模拟精度。