黄河下游断面对洪水过程响应动床模型设计与特征值关系研究.pdfVIP

黄河下游断面对洪水过程响应动床模型设计和特征值关系研究· 戴清胡春宏 (中国水利水电科学研究院，北京，100044，daiqing@iwhr．com) 摘要：黄河下游河道是举世闻名的善淤、善冲的大河，含沙量高、地形地貌及演变规律复杂，研究治黄重大问 题往往利用动床模型试验技术。本文介绍适合于黄河情况的动床模型设计和试验方法。模型不仅满足水流运动 相似和河道冲淤相似，而且模型纵横向断面冲淤部位及形态变化与天然河道基本相似。较好地解决黄河动床模 型试验中的时间变态、冲淤同时模拟及模型沙选择等关键问题。研究提出洪水过程中黄河下游河槽断面特征值 与洪水特征值之间的数学表达式，表征了洪水过程与河床形态调整的响应关系，较以往研究成果有明显的突破。 关键词： 试验方法模型设计动床模型断面特征值洪水特征值数学表达式 1前言 黄河下游过渡性河段，尤其是位于过渡性河段上段的高村河段，对整个下游的行洪排沙具有承上启 下的作用。该河段在洪水期，河宽受两岸控导工程及生产堤的约束，主槽横向的摆动受到限制，水流挟 带的泥沙主要堆积于主槽两侧的狭窄宽度范围，嫩滩不断淤积抬升；在枯水期，上游河段河床不断有泥 沙补充，水流进入本河段后，泥沙淤积于主槽内。因此，长期以来本河段河槽的抬高较其上、下段均为 明显。河段内生产堤圈住了广大的滩区，数十万老百姓长期生活在滩区内。滩区地势低洼，与河槽高差 逐年增加。生产堤质劣身薄，洪水时水流一旦漫滩，对滩区人民生命和财产产生重大的威胁，成为黄河 下游防洪的重点河段。因此，研究本河段的河槽变化特征及对洪水的响应规律，寻求有利的增加行洪排 沙的断面形态及洪水条件，对黄河下游恢复排洪输沙基本功能具有重大意义。本文介绍适合于黄河情况 的动床模型设计和试验方法。模型不仅满足水流运动相似和河道冲淤相似，而且模型纵横向断面冲淤部 位及形态变化与天然河道基本相似。较好地解决黄河动床模型试验中的时间变态、冲淤同时模拟及模型 沙选择等关键问题。提出洪水对河槽塑造作用及河槽形态对洪水过程的响应关系成果。 2模型设计 图l所示(四周黑实线为模型边墙，图内实线为两岸大堤和主槽，断续黑实线为控导工程或生产堤)。 高村水文站为模型进口水沙的控制站，沿程有苏泗庄、邢庙、杨集三个水位站，杨集站为模型出1：3水位 控制站。 7 ／、． ．一 楚 、倒 图1模型试验河段河势示意图 2．1相似律要求的比尺设计 模型相似性设计采用河工动床模型相似律，即：水流运动相似、泥沙运动相似、河床冲淤相似等条 ’基金项目；国家。十五。科技攻关项目部分研究内容(专愿编号：2004BA610A-03) 3∞ 件，经过水流特性、输沙特性及典型年冲淤等预备试验及验证试验的检验，最终确定各项比尺值。 2．1．1几何及水流运动比尺设计 模型平面比尺为1200，考虑模型变率问题及最小水深限制条件，模型垂直比尺为80，几何变率为 15。水流运动的重力相似条件为： 乃=√以=8．94 (1) 如=以为丸=858650(2) 名％ 丸=-一T“CS=0．536 (3) ^亡 水流雷诺数尺．大于8000。黄河河道高含沙洪水一般不是非牛顿的宾汉体，试验无需考虑宾汉切应力条 cm，即为不使表面张力干扰模型水流运动的限制条件。 件fl】。模型水深满足h。1．5 2．1．2悬移质运动及河床变形比尺设计 模型的悬沙、．床沙采用北京高井电厂粉煤灰，rs-2．12t／m3。该粉煤灰具有不易板结、