（水力学及河流动力学专业论文）长江上游干支流汇合口水沙特性研究.pdf

摘要 河流交汇口区域水流紊乱，泥沙冲淤变化大，通航条件极其复杂。加上汇合 口上游水利枢纽修建后，来水来沙条件发生重大改变，枢纽日调节和大坝泄洪对 汇合口航道通航条件将产生严重影响。因此，研究汇合口的水沙运动特性及上游 水利枢纽的运行对汇合口通航水流条件的影响具有重要意义。 本文结合西部交通建设科技项目“长江上游干支流汇合口通航水流条件及整 治技术研究 ，在回顾汇合口水沙运动研究成果的基础上，选择长江上游沱江汇合 口为依托工程，制作了比尺为1 ：1 0 0 的正态河工模型，进行了定床和动床试验验 证。通过模型试验和理论分析，系统研究了自然来水、向家坝日调节和大坝泄洪 情况下沱江汇合口的水力特性及向家坝枢纽泄洪对汇合口河床冲淤变化的影响。 详细分析了汇合口纵向、横向水面线、流速分布随汇流比的变化特点；揭示了汇 合口水流脉动动能和相对紊动强度在不同流量组合下的分布规律；得出了向家坝 枢纽泄洪对沱江汇合口通航水流条件和河床的冲淤变化影响较小，基本能满足通 航要求。 关键词：长江上游；汇合口；航道整治：河工模型；水流结构；河床演变 a bs t r a c t i nt h ec o n f l u e n ta r e a , f l o wp a t t e r ni st a n g l e d ，t h ec h a n g e so fs e d i m e n te r o s i o na n d d e p o s i t i o na r eb i g ，a n dt h ec o n d i t i o no fn a v i g a t i o n i sc o m p l e x b e s i d e s ，w i t ht h e c o n s t r u c t i o no fh y d r a u l i ce n g i n e e r i n gc o m p l e xi nt h eu p p e rr e a c h e so fc o n f l u e n ta r e a , t h ec o n d i t i o n so fi n c o m i n gw a t e ra n ds e d i m e n tw i l lc h a n g eg r e a t l ya n dt h eh u bd a i l y r e g u l a t i o na n dt h ed a mf l o o dd i s c h a r g ew i l l h a v es e r i o u si m p l i c a t i o n sf o rt 1 1 ec h a n n e l c o n d i t i o n s s oi ti so fg r e a ts i g n i f i c a n c et os t u d yt h a tt h ew a t e r - s e d i m e n tm o v e m e n t c h a r a c t e r i s t i c so nt h ec o n f l u e n c ea n dt h eo p e r a t i o no fu p s t r e a mh y d r a u l i ce n g i n e e r i n g c o m p l e xh a v eag r e a ti m p a c t o nt h en a v i g a t i o nf l o wc o n d i t i o n s t h i sp a p e rw a sc a r r i e do u tf r o mt h ew e s t e r nc o m m u n i c a t i o nc o n s t r u c t i o no ft h e ”s t u d yo nt h et e c h n o l o g yo fn a v i g a t i o nf l o wc o n d i t i o na n dr e g u l a t i o ni nc o n f l u e n ta r e a o ft h eu p p e rr e a c h e so ft h ey a n g t z er i v e r i nt h eb a s i so fr e v i e w i n gt h er e s e a r c hr e s u l t s 0 1 3t h es a l i v as e d i m e n tm o v e m e n t , t u o j i a n gc o n f l u e n ta r e ai ss e l e c t e da sas u p p o r t p r o j e c t au n d i s t o r t e dr i v e rm o d e lw i t ht h es c a l ef o r l ：10 0i sm a d e ，a n dt h ef i x e db e d a n dt h em o b i l eb e de x p e r i m e n t sa r ec a r r i e do n t h r o u g ht h em o d e lt e x ta n dt h e o r e t i c a l a n a l y s i s t h eh y d r a u l i cc h a r a c t e r i s t i c so nt h et u or i v e rc o n f l u e n c ea f f e c t e db yt h e n a t u r a lr u n o f f , x i a n g ii ad a md a i l yr e g u l a t i o na n dd a mf l o o dd i s c h a r g ea r es t u d i e d s y s t e m a t i c a l l ya n dt h ec h a n g ei ns c o u ra n df i l lo fb e do n t h ec o n f l u e n c ei sa f f e c t e db y x i a n g i i ad a mh u bf l o o dd i s c h a r g e 砀el o n g i t u d i n a l a n dt r a n s v e r s a lw a t e rs u r f a c e p r o f i l e sa n dt h ed i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fv e l o c i t ya f f e c t e db yc o n f l u e n t r a t i o sa r e a n a l y z e di nd e t a i l t h ed i s t r i b u t i o n so ff l u c t u a t i n gk i n e t i ce n e r g ya n dr e l a t i v et u r b u l e n t i n t e n s i t yo nt h ed i f f e r e n td i s c h a r g ea r em a i n l ys t u d i e d i ti sf o u n dt h a tx i a n g i i ad a m h u bf l o o dd i s c h a r g eh a sl i t t l ee f f e c to nt h en a v i g a t i o nf l o wc o n d i t i o n sa n dt h ec h a n g e s i ns c o u ra n df i l lo fb e do nt h et u or i v e rc o n f l u e n c ea n di tc a l lb a s i c a l l ym e e tt h e n a v i g a t i o n a lr e q u i r e m e n t s k e yw o r d s ：u p s t r e a mo fy a n g t z er i v e r ；c o n f l u e n c e ；r e g u l a t i o no fw a t e r w a y ；r i v e r e n g i n e e r i n gm o d e l ；f l o ws t r u c t u r e ；r i v e r b e de v o l u t i o n 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 西聩移 1 日期：少矿年夕月，多日 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本人学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并进行 信息服务( 包括但不限于汇编、复制、发行、信息网络传播等) ，同时本人保留 在其他媒体发表论文的权利。 学位论文作者签名：卅镌款 日期：勿佃年勿月，日 指导教师躲辫之 日期：y p o 年勿月，多日 本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社c n k i 系 列数据库中全文发布，并按中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程规 定享受相关权益。 学位论文作者签名：玉镭弘 日期：2 a 矿年乡月，日 指导溯签名：琊泛 日期：矽伊年夕月l , 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 问题的提出及选题的意义 长江作为我国第一大河流，是全国内河航运最重要的水运主通道，水运条件 十分优越。长江干线航运是连接我国东、中、西部地区的重要纽带，是实施西部 大开发战略的重要依托，也是长江沿江经济持续、快速发展的重要支撑。长江水 运具有占地少、耗能低、污染小、运量大等特点，发展长江水运符合我国建设资 源节约型、环境友好型社会以及实施可持续发展战略的要求。2 0 0 4 年初，温家宝 总理作出要“高度重视水运，充分利用长江黄金水道 的重要指示。2 0 0 5 年，交 通部提出要按照“深下游、畅中游、延上游 的总体思路加快长江航道建设。 长江上游流经我国西南地区，属典型的山区河流。从宜宾到湖北宜昌1 0 3 0 k m 长的河段，通常称为川江。最著名的川江支流是左岸的岷江、沱江、嘉陵江；右 岸的赤水河、乌江等。中小支流有6 7 条，其中一级支流有3 4 条，大于1 0 0 0 平方 公里的支流有2 3 条。中小支流中比较有名的有南广河、綦江、龙溪河、龙河、小 江、磨刀溪、梅溪河、草堂河、朱衣河、墨溪河、大宁河和香溪。自古以来，在 长江上游干流与支流交汇之地建有重要的城市与乡镇，如位于岷江河口的宜宾、 沱江河口的泸州、嘉陵江河口的重庆、乌江河口的涪陵等。受干支流来水来沙不 同组合的影响，干支流汇合口及其附近都形成了一定碍航的浅滩( 如图1 1 ) ，如 位于长江与沱江交汇处的金钟碛滩，位于长江与嘉陵江交汇处的金沙碛浅滩及长 江与乌江交汇处的乌江河口区，水流复杂，流态紊乱，泥沙冲淤变化大，严重影 响这些特殊河段的航行和泸州港、朝天门港及涪陵港区的正常作业。 近年来国家加大了对长江上游及乌江、嘉陵江、沱江和岷江水能资源开发的 建设力度，在干支流汇合口上游，已建、在建和规划拟建的有金沙江向家坝、溪 落渡水利枢纽，沱江流滩坝电航枢纽，长江朱洋溪、小南海水利枢纽，嘉陵江草 街、井口航电枢纽，乌江彭水、银盘和白马水利枢纽等。这些水利枢纽修建后， 来水来沙条件将发生重大改变，原天然情况下干流与支流水位相互顶托、流速减 小、水流挟沙能力下降，促使大量泥沙淤积的现象将变得更加复杂，受枢纽运行 的影响汇流口航道的水流结构与泥沙运动如何变化，无章可循；受上游水利枢纽 运行的影响，汇合口各种滩险的水力特性和冲淤变形将更加复杂，原有整治建筑 物将不能发挥其应有的功能，尚未进行整治的滩险碍航条件可能会进一步恶化， 还可能产生新的碍航滩险，碍航问题将进一步加剧，在新的边界条件下，对汇流 口航道规划、整治设计和航道维护提出了更高、更新的技术要求；上游水利枢纽 修建后，汇合口港口码头水域的水流、泥沙条件也将发生改变，对港口码头运行 2 第一章绪论 也将带来不利影响。 因此，弄清干支流汇合口上游水利枢纽修建前后，汇流口航道通航水流条件 的变化，滩体的各种水力特性和冲淤变形特点、碍航特征势在必行。 图1 1长江上游汇合口滩险 f i 9 1 1r a p i d so nt h ec o n f i u e n c eo fu p p e rr e a c h e so fy a n g t z er i v e t 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外汇合口研究进展 国外的h r o u s e n 3 ( 1 9 5 7 ) 是第一位对平面二维侧射流重新附壁问题进行研 究的学者。之后，s t r a z i s a r 1 ( 1 9 7 3 ) 在c a r t e r 1 ( 1 9 6 9 ) 的基础上运用动量积分法 分析了示踪显示得到的侧流轨迹。m i k h a i l h l ( 1 9 7 5 ) 和a n e s t i s 璐1 ( 1 9 7 9 ) 等人对侧 射流进行了示踪实验，分析了回流区的几何特征尺度的变化规律。在数值计算方 面，m c g u i r k 和r o d i 1 ( 1 9 7 8 ) 对全水深侧排放进行了数值模拟，计算得到的回流 区几何形状和实验值吻合较好。b e s t 盯1 ( 1 9 8 4 ) 等人打破了在明渠交汇处有意或无 意放弃对回流区几何特征研究的传统，得到了等宽水槽中回流区几何特征尺度的 经验公式。t a y l o r 阴1 ( 1 9 4 4 ) 首次对矩形明渠水流入汇问题进行实验研究，采用支流 斜接于干流的入汇方式，研究了汇流角为4 5 。和1 3 5 。时的水深变化，并认识到汇 流口横向水流分离区的重要性。w e b b e r 和g r w a t e d 国1 ( 1 9 6 6 ) 考虑了阻力的影响，通 过保角变换的方法提出了入汇区域的理论水流模式，利用这种方法可以定位入汇 口上游的水流停滞点和下游的分离区，并提出了一种估计断面相对能量损失的方 法。m o s e l y n 们( 1 9 7 4 ) 采用自然河工模型对“y 型交汇河段的水沙问题进行了研究， 认为汇流角及流速比对汇流河段的水流结构及河床地形发展有控制作用。m o d i n u 等( 1 9 8 1 ) 依据摩擦力损失对明渠交汇区域的水流结构进行了研究。b e s t 和r e i d n 2 1 ( 1 9 8 4 ) 通过实验研究了多种入汇角情况下，入汇区纵横向回流区尺度与流量比及 动量比的关系，并从物理机理方面探讨了分离区的成因。b e s t n 3 1 ( 1 9 8 8 ) 较系统的 研究了入汇区沉积物搬运和床面形态的问题，提出了三个表示汇流河口河床形态 第一章绪论 3 的独立要素，并得出这三个要素受控于河道汇流角( 干支流几何轴线交角) 及汇流 比( 支流流量与干流流量之比) 的结论。g a u d e t n 4 1 ( 1 9 9 5 ) 对水沙交汇区域的泥沙运动 特征和河床演变进行了研究。b r i o n n 钉n 叼( 1 9 9 6 ) 通过水槽实验研究了以前人们一直 忽视的床面不平整对汇流区水流结构的影响，发现干支流河床的高差不一致对明 渠汇流区流动结构及水影响。h s u n 刀等( 1 9 9 8 ) 利用入汇1 2 1 上下游深泓线的变化来确 定分离区的位置及水流流经分离区时的收缩量，从而研究了分离区末端的能量和 动量的变化。b r a d b r o o k n 羽等( 2 0 0 1 ) 进一步研究了干支流河床高程不一致对河段汇 流口水力特性的影响。提出干支流河床高程不一致会使次生环流加强，分离区增 大。r e t t e m a n 蚰等( 2 0 0 1 ) 研究了汇流口河道发生冰阻塞现象的控制因素问题。h u a n g 和w e b e r 瞳o j ( 2 0 0 2 ) 利用模型试验数据研究了明渠交叉点处的三维流速。 1 2 2 国内汇合口研究进展 国内大致分为两种交汇形式进行研究，一是斜接入汇，一是“y 型交汇，研 究汇流口必须对这两类进行区分，这主要是由于河道平面形式的差异产生了汇流 口流场的根本变化，通过试验研究和数值计算两种研究手段，近年来提出影响汇 合口的主要控制因素有：汇流比；汇流角；河床高差；汇流口下游干流佛劳德数 等，并取得了相应的一些研究成果，见表1 1 。 水槽试验 罗保平口妇( 1 9 9 4 ) 在对汇流河段干支流分界线进行较为系统的实验研究基础 上，得到了各种汇流比和入汇角组合情况下的干支流分界线及其曲线形式。周华 君、王绍成啪1 ( 1 9 9 4 ) 在原型实测资料和模型试验成果基础上，研究了嘉陵江斜接 长江交汇口的水力特征，得出了干支流汇流比是控制两江交汇点位置和支流入口 回流( 分离) 区宽度的主要因素。合流掺混区水面坡降与干流流量和干支流汇流比 有关，交汇口上游干流段水面坡降取决于支流顶托影响和滩槽地形的非线性作用。 刘建新( 1 9 9 6 ) 通过模型试验研究和实测资料分析对山区河流干支流汇流特性进 行了研究，结果表明干支流的汇流比是影响交汇角大小、汇流面坡降、输沙率变 化等的主要因素。同时，利用汇流比这一特征值，建立了它与汇合口的水力和泥 沙运动变化的部份相关关系，从而揭示了山区河流干支流相汇后的变化特性。兰 波乜钔( 1 9 9 7 ) 根据收集的若干山区河流入汇河口资料，分析了山区河流交汇河口的 综合特性并通过分析概化试验资料得出汇流比和入汇角是控制交汇区域的水面特 征的主要因素。研究结果表明汇流比r 和交汇角对交汇河口的水面形态特征起控 制作用。r 一定，不同的干流流量直接关系到交汇河口的水面特征。布置挑流坝改 变了两江交汇角，必将引起汇合口水面特征的改变。陈德明乜5 1 ( 2 0 0 2 ) 对泥石流与 主河水流交汇机理及河床响应特征进行了实验研究，模拟了汇流角分别为9 0 。、 寸 、 一 - _ 卜 n o 寸 墨 i ，、 寸n 。v 、 岔 _ 寸 o n _ t qt q 2 nn 制 o nnoo 十 吐卜 o o o n n t qt qk g o_o t q- _ o疆 _ nn 美蒸 _ t l t q n i n 张 - t n n n _ o o _- _ 槭 寸 n 嘲l 2oi n - _ n 鹱 g1o oo _ - 卜寸 一 一卜昏 一 。 中 oo o 卜 心 n nn 一 i n 口 一oo t q 蜓 釜 ot q 煺 n 寸一心 寸一寸 似 爆 ? 寸 n g ot q 裂 寸 t q o褥 oo 9n oo h - - 卜 心 卜 t q oo a _ 寸oo。 o o 爆 o v 、 n o nn 寸 似 oo o _ o 叫 o o v 、 o o 嫣 似 卜 n o槭 蒌誉 寸 卜n nn n t q心卜 寸 n寸n 笆 卜 n 酸承 - _ 一 。 nt qt q 口n 悱 n - 一 岔 抻 寸 嫣 _ 叫 h - o o 、 v 、n n 小 。 oo 寸 o昌昌 寸 o - _ 。 n - 是宗 o o o 岔 删 蒙宝 蓑童 是宗 岔 、_ ， ， 、 soooo oa8 堡 固 noo 寸n - - n d岔a小 口 堡 寸 锹， 圃 婆 o 疆 oo 收 o 藿8 怔什 n n nn 3 幺 岔 杈 翘 妥 辎 趟 窖累妖 妖籁 球 燃 状状 妖 s 套 奄谣状塔 薅 恹趔制承 禽辎吝求 姜 琳 套富 基 林 彝 翻 巡七 烈魏 繇 婆嫂撼 星凭 馨 懈 创 馇楚林 蒋 莲 靶 螂 嚣 剥怕 幄 却赠 星 删 苌 箍 b 去求辎 龄 蟮苌 鼗磐墨 佘婷妖星 求掣口旧 俄妖恻= 譬 r臀 醴 *俄舂 避 仪 嫣婆裂妥 嵘奄嫣鞲 妥避 煺 凶 卜鲁累 似 窭权u 器 嬉 爨区庭 裂惑怒娶 h -煺划倒 副臻 嬉靛 杈逛星煞 赵 整 定婚 卜 似 口 杈 裂 裂度避 官 度 鏖 剥 似 上 h - u嫣 一 一 斗h斗h 嫣 hbh -啦 蕉 俄姜 嫣 蹭裂艇 裂权 犁 廿 联赋恕 博一 _ 权定蜡 赚 ，、g世! l j 裂 蚓 联 蜜 爆 裂 h 一 詈 詹 靛 蜜 涸 求 制 嬉 副 采佘墨： 剥 神 陋绷 撼 _豁框 神嬉煺 裂 似 嫣 佰 长 杈似 一似 似 聪 宫 姊神神神淞神神擀 抟 粑 删 避 砌 齄 长 蜘 = j神 淞黢 世 匿盎 i 五 茸 媒 捌 庄 缸 妊 牛 谊悠 = j h机赃赫 l3l|o|四oo比 i-懈璐 iiocl叮p03cpco。 秘辩褂1 躲 6 第一章绪论 6 0 。和3 0 。时在各种汇流比条件下泥石流与主河交汇及河床响应过程。归纳出了 泥石流与主河交汇的二种模式，提出了堵河判别式。考虑不同汇流比对交汇时泥 石流沉积地形的影响，定义了“脊线 、“轴线”和“冲刷角 三个概念。奚斌汹1 等( 2 0 0 3 ) 就送水河与南官河交汇口模型试验研究，探讨了这一问题，提出了较为 合理的满足通航要求的t 型河道交汇口布置形式和交汇角度。茅泽育口刀( 2 0 0 4 ) 采用 试验手段探索干支流交汇口的三维流动结构。结果表明，对于给定交汇口形状及 尺寸，分离区形状基本保持不变，尺寸随主支渠流量比变化并具有较好的相关关 系。在和主渠轴线正交的横断面上交汇水流存在横向分速，水面附近横向分速指 向交汇口对侧固壁，临底附近横向分速指向交汇口一侧。对于流量比较大的汇流 流动，断面环流是交汇口水流三维流动的一个重要特征。郭志学啪1 等( 2 0 0 4 ) 分析 了泥石流入汇主河后，汇合口附近各水力参数的变化规律。探讨了泥石流入汇后 下游水位相对壅高与流量比以及交汇角的关系，得出相对壅水高度随流量比及交 汇角的增大而增大的结论。分析了主河在入汇口附近的淤积变化规律。在3 0 。、 6 0 。和1 2 0 。斜接交汇情况下，淤积量随支流流量及流量比的增大而增大；淤积率 则随总流量增大而减小，在主支流量相当时出现最大值。9 0 。交汇时，淤积量随 支流流量及流量比的增大而减小；淤积率随总流量增大而增大，在主支流量相当 时出现最小值。平均及最大淤积深度在主支流量相当时出现最大值。顺河向交汇 时，淤积深度最大值随交汇角增大而增大，1 2 0 。交汇时淤积深度与3 0 。交汇时相 当。敖汝庄啪1 ( 2 0 0 4 ) 研究了泥石流入汇主河后淤积规律，主要探讨了淤积量及淤 积分布问题。通过试验分析认为，泥石流入汇主河后的淤积量基本随流量比的增 大而增大，就其淤积速率而言，有先增大后减小的变化规律。淤积量在流量比大 约为0 5 时出现峰值，在流量比为0 6 5 时出现谷值，淤积量与流量比关系变化曲 线以倾斜向上的直线为对称轴，呈倾斜向上的正弦波形。各工况下淤积范围基本 不变，但试验中反映出淤积范围有随交汇角增大而增大的趋势。茅泽育啪1 ( 2 0 0 5 ) 采用水力学基本理论及试验手段，对等宽明渠交汇口水流分离区的形状及尺寸进 行了理论分析和试验研究，提出了分离区收缩系数及能量损失系数的理论表达式。 研究结果表明，随交汇角或主支流流量相对大小不同，分离区尺寸发生变化，对 于给定交汇口几何形状及尺寸，分离区形状基本保持不变，但分离区尺寸随流量 比变化并具有较好的相关关系，并随交汇角增大呈有规律增加。郭维东d 玎( 2 0 0 5 ) 对“y 型汇流口水流三维水力特性进行模型试验研究。结果发现，与支流斜接干 流型汇流口水流一样，“y ”型汇流口也存在流动停滞区、流速偏转区、分离区、 流速加速区等区域。“y 型汇流口水流总体向下游呈螺旋流，随着汇流比的增大， 河床高差的存在，这种螺旋流趋势减弱。河床高差的存在会大大增强支流侧水流 脉动强度。王晓刚等b 2 1 ( 2 0 0 5 ) 利用三维多普勒流速仪a d v 对“y ”型汇流口进行 第一章绪论 7 模型试验研究，结果表明“y 型汇流口水流为螺旋流，河床高差的存在对“y 型汇流口水流分离区，流速加速区等主要区域影响不大，但会减弱螺旋流的旋转 趋势，增加汇流口水流的脉动强度。王协康口3 1 ( 2 0 0 6 ) 通过水槽试验，观测了入汇 角为3 0 。时支流斜接主流入汇型河道的三维水流结构。试验表明入汇上游受支流 顶托影响，产生一定的壅水，出现低速区，而对侧由于束水作用产生高速区。在 入汇一侧下游较短的距离产生回流现象，并形成分离区，而在下游一定范围内， 靠支流入汇侧出现水流高速区，并形成二次流结构。交汇区水流流动主要有水流 分离区、高流速带、低流速带及剪切面等。刘同宦等( 2 0 0 7 ) 通过水槽试验，应 用声速多普勒测速仪( a d v ) 研究了入汇角为3 0 。时，支流斜接主流交汇区及其附 近的三维水流结构，获得了不同主支汇流比下的三维流场及其脉动特性。试验表 明：在交汇区三维流场中，产生了回流分离区，其中并伴随环流结构，大大改变了单 一明渠中的流速分布及脉动特性。在入汇口下游主流右侧( 入汇口一侧) 水流脉动 强度在z h = 0 2 处易出现极大值，其形成机理还有待验证。冯亚辉等口5 ( 2 0 0 7 ) 基 于物理模型试验的实测资料，通过引入螺旋度详细分析了“y 型明渠交汇口的螺 旋流分布情况，定量地反映出螺旋流强度沿水流方向的变化规律。吴迪等啪1 ( 2 0 0 7 ) 通过制作交汇角为9 0 。的复式断面河道“y ”型交汇河口模型，对支流河口处的水 流流态包括水面形态、水流流速和水流分区进行分析。结果表明复式断面河道交 汇口处流场具有很强的紊动特性，其中分离区问题是航道整治和有关环境部门应 重视的部位。 数学模型 范平阻力( 2 0 0 4 ) 引入水深连接方程，耦合了干、支流河道的水流运动，给出了 它们的流量分配关系，建立了交汇、分流河道洪水演进模型。对交汇河道中水流 顶托作用随河道参数的变化规律进行了研究。茅泽育1 ( 2 0 0 4 ) 对等宽明渠缓流交 汇水流进行了研究。对交汇口流动的各种影响因素进行了量纲分析，确定表征流 动特性的主要物理量。根据水力学基本理论，建立了交汇口上下游水深比的普遍方 程。赵升伟1 ( 2 0 0 5 ) 针对明渠交汇口缓流流动特性，分别应用水深平均俨l 模型 及k - 模型建立了二维数值模型。水深方向采用静压假定，可模拟自由面和河床 地形变化；应用交错网格上的有限体积法对方程组进行离散并采用水深速度校正 算法求解；每个代数方程求解采用t d m a 逐行扫描法；针对交汇口几何特征，分区 进行网格划分。应用实测资料对两种模型进行了验证比较，结果表明两种模型均 可模拟明渠交汇口基本流动特性，但伊l 模型所得的分离区计算结果比k - 模型 更为准确。张革联( 2 0 0 6 ) 运用有限分析法的基本思想，自主开发了适用于汉江 入汇段的平面二维数学模型。该模型采用了曲线四边形9 点等参单元法，任意剖 分计算区域，构造出形函数，并实行坐标变换，在划分网格技术中使用了适体河 8 第一章绪论 流边界将计算区域任意划分成多个曲线四边形的有限单元技术，在模型前后期处 理技术如计算网格的任意划分技术，地形高程的插值技术上进行了改进，吸取了 有限元法对河道不规则岸线有较好适应性的优点，发挥了有限差分方法成熟的数 值方法技术。冯亚辉h u ( 2 0 0 6 ) 针对y 型明渠交汇口的水流特性，应用水深平均一雷 诺应力模型，采用交错网格有限体积法离散控制方程以及s i m p l e 算法，求解交汇 水流的水深一速度场。朱木兰h 钉( 2 0 0 7 ) 建立了一个既能处理干支流汇流，又能考 虑泥沙粒度分布以及流线曲率的二维河床变形数学模型，并通过两个算例对汇流 处的河床变形以及粒径分选情况进行了讨论。分别考虑了干支流的泥沙粒度分布 为相同和支流的泥沙平均粒径为干流的一半两种情况。计算结果表明汇流处的冲 淤情况两种情况基本相同，受支流河床泥沙组成的影响不大，但汇流处的河床平 均粒径，却深受支流来沙的影响，两种情况差异较大。当支流泥沙细小时，受其 直接流入影响，汇流处左岸未呈现出冲刷与河床粗化的对应关系。茅泽育h 3 1 ( 2 0 0 7 ) 应用显式代数应力模型建立了交汇水流三维数值模型。针对交汇口几何特征分区 进行网格划分，应用实测资料对计算结果进行了验证，同时与应用k 一紊流模型 的三维数值计算结果进行了比较。所提出的数值模型可以更好地模拟交汇水流独 特的三维流动特性。 1 2 3 存在的问题 目前对“y 形汇流口的研究相当有限。国内的研究相当的少，国外专门针对 “y 形汇流口的研究也不多。目前的研究结果表明，“y ”形汇流口也存在类似于 “非对称 形汇流口的一些水流分区。由于“y ”形汇流口类似于两个弯道环流的 叠加，随着干支流水流汇流比、汇流角的不同，“y ”形汇流口水流非常复杂，有 待进行更深入的研究。“非对称”型汇流口水面形态的研究存在争论h 钔。 水面形态一定程度上能够反映水流的内部流场结构h 耵，如：2 0 0 2 年b i r o n 等 人发现，汇流口停滞区与混合层以水面超高为特征。另外，分离区通常出现水面 跌落。因此针对汇流口水面形态的研究也颇多。由于汇流口水流的强三维性，汇 流口水面形态较为特殊，横向、纵向水面形态都有变化。在“非对称 形汇流口， 1 9 9 7 年兰波通过模型试验详细研究了横向、纵向水面形态的特征。认为汇流口横 向水面形态呈中间高两边低的马鞍型，h s h m o r e 等人2 0 0 2 年的研究结论也肯定了 这一点。但是其他试验研究却认为非对称汇流口水流横向水面形态呈单一坡度， 汇流口支流入口侧出现水面下降( 对应于分离区) ，汇流口对岸干流侧出现超高。 这说明“非对称 形汇流口横向水面形态的研究依然存在争论，更系统全面的研 究有待进一步开展。对于“y ”形汇流口，研究资料较少，目前资料显示横向水面 形态的研究结果为呈中间高，两边低的马鞍型水面形态。目前汇流口水流研究中 第一章绪论9 争议最大的是螺旋流问题。螺旋流是一种三维流体，不同研究者对螺旋流的研究 成果不一致与其对螺旋流的描述方法不同有关。目前实验室水槽试验与野外实测 汇流口水流特征存在较大差异。同样，天然河流中汇流口分离区通常很少存在，而 实验室水槽中却可以明显观测到分离区的存在。 1 3 论文研究的主要内容 结合西部交通建设科技项目“长江上游干支流汇合口通航水流条件及整治技 术研究”，以长江与沱江汇合口航道及金钟碛滩整治为依托工程，通过河工模型试 验，研究汇合口上游水利枢纽修建前后干支流不同的来水来沙组合下汇合口的水 沙运动特性。主要研究以下内容： 广泛收集整理国内外有关资料和已有研究成果，包括原型观测、试验和理 论计算成果，分析汇合口的碍航成因及影响河床演变的主要因素、演变特征； 总结汇合口的交汇形式，提出新的分类方式； 通过河工模型试验，分析沱江汇合口的水面线、流速、紊动变化规律： 通过河工模型试验，分析沱江汇合口河床冲刷演变规律。 l0 第二章长江上游汇合口特性及碍航特征 第二章长江上游汇合口特性及碍航特征 长江作为我国第一大河流，主干流6 3 5 0 多k m ，大小通航支流3 6 0 0 多条，通 航里程近1 1 万k m 。自古以来，在长江上游干流与支流交汇之地建有重要的城市与 乡镇，如位于岷江河口的宜宾、沱江河口的泸州、嘉陵江河口的重庆、乌江河口 的涪陵等。这些城镇依江而建，依港兴城，水陆运输占有重要的地位。长江上游 流经我国西南地区，属典型的山区河流。山区河流交汇河口有其独特性质，其汇 流问题更加复杂化。天然河流中存在着大量的干支流交汇河段。在干支流交汇河 段，无论是水流现象、泥沙特征、河床形态都具有复杂多变的特点。在干支流相 汇处，由于干支流两股水流相互项托，干支河流原有的水沙平衡状态被打破，在 交汇口下游附近形成复杂的流动现象，对确定河道有效过流断面、泥沙及含有物 质输移及淤积、河底及边壁冲刷等产生重要影响。在汇流掺混区内，始终存在能 量互换现象，以产生新的平衡，但由于入汇处水流发生紊动掺混，其能量必然发 生损失，使得泥沙颗粒、尤其是粗颗粒卵石可能在汇口处淤积成河口滩h 6 4 7 1 。 2 1 长江上游汇合口交汇形式及重新分类 2 1 1 汇合口交汇形式 根据天然河道的实际观测资料，干支流的交汇形式可概括为以下两种： 非对称型汇流口，即支流斜接干流，汇合口上下干流斜接平顺、支流的汇 入没有改变干流的流势。如岷江口、长宁河口、沱江口、嘉陵江口、涪江口均属 此类交汇形式，见图2 1 ： 图2 1 非对称型汇流口示意图 f i g2 1s c h e m a t i cd i a g r a mo fa s y m m e t r i c c o n f i u e n c e 图2 2 对称型汇流口示意图 f i g2 2s c h e m a t i cd i a g r a mo fs y m m e t ri c c o n f i u e r c e 对称型汇流口，即“y 型交汇河口，交汇口上游干支流相对于下游干流呈 对称分布，如青衣江口、大渡河口、乌江口、白龙江口、东河口、渠江口等都为 “y 形交汇河口，见图2 2 。据统计，两种交汇形式的交汇河口数量大致相等。 分析交汇河口平面形态不难发现，属“y 型交汇的两江汇合口处几乎都存在江心 第二章长江上游汇合口特性及碍航特征 洲，而且汇合口处还伴随有浅滩，其主要原因是“y ”型交汇河口的交汇角较大， 干支流顶托作用增强，两江水流在汇口处发生强烈的紊动掺混，水流能量损失很 大，流速急剧降低，引起泥沙落淤，长期发展就会形成江心洲。由于江心洲的阻 水作用和分流作用，使得流速减小，泥沙淤积，又会成为河口浅滩或浅滩群。支 流斜接形式的交汇口交汇形式与两江流量组合、交汇角、支流入汇位置有关，通 常会出现两种情况：一种情况是汇合口处无江心洲( 嘉陵江口) ；另一种情况是江 心洲在汇合口上游干流( 涪江口) 或支流( 沱江口) 内。当然也有例外，如长宁河口， 长宁河于凸岸汇入长江，长江的流量远大于长宁河流量，汇合口处长江的水沙运 动占有绝对优势，由弯道水沙运动规律可知泥沙会在汇口凸岸大量淤积从而形成 江心洲。总之，不管是何种交汇形式，都易在交汇口附近形成江心洲，其位置主 要与交汇形式，两江流量组合、交汇角、支流入汇位置等有关，这是山区河流的 重要特性。 2 1 2 汇合口交汇形式的重新分类 从长江上游的一些支流入汇来看，实际河道并非那么规则，而是干流呈弯曲 状，支流在入汇段大部分成顺直状，支流在凹岸或凸岸汇入主流的情况屡见不鲜， 比如长江干线上凹岸入汇长江的有黄沙河入汇、大溪口入汇、永宁河入汇、沱江 入汇、赤水河入汇等等；凸岸汇入典型的有嘉陵江入汇长江。自然界中斜接交汇 和“y 型交汇大致各占一半，目前的划分方法并未考虑干支流的实际河型。诸多 的天然河道资料显示，支流在交汇段基本上属顺直型，干流在交汇段则呈现出弯 曲、顺直、或分汊的河型特征。因此，从河型的角度对干支流汇流口进行分类能 真实地反映实际情况。 以支流入汇不同河型的干流可将汇流口分为以下三种：支流入汇弯曲干流 汇流口( 简称“弯曲干流型汇流口，见图2 3 ) ，如沱江与长江汇流口( 如图2 5 ) 、 赤水河与长江汇流口( 如图2 6 ) 等。该交汇形式最为普遍，但研究工作不是很多， 总的来说两江交汇口平面形态与两江流量组合、交汇角、支流入汇位置有关。 支流入汇顺直干流汇流口( 简称“顺直干流型汇流口”，见图2 1 和图2 2 ) ，如 汉江与长江汇流口( 如图2 7 ) 等。该交汇形式研究的最多，大都是通过水槽试验 完成的。支流入汇分汊干流汇流口( 简称“分汊干流汇流口 ，见图2 4 ) ，如朱 家河与长江汇流口( 如图2 8 ) 等。该交汇形式在自然界中很少见，故研究成果也 相对较少，这是一种集分汉和交汇于一体的交汇形式，水沙条件更为复杂，在今 后有待进一步研究。 2 第二章长江上游“一合口特性及辟航特征 瀛奄 图23 弯曲干流型汇流口示意图 fj g2 3s c h t i cd i a g t a mo fb e n d n gn s t r e a mc o n f l m e r g e 冒27 汉江汇合口 f i g2 7 c o n f i u e n c eo f b a nr lv e t 图24 分波干流型汇流口示意图 f ig24s c h e m a t l cd l a g r a mo fb r a l d e d s tr e a mc o n f i u e n c e 图28 朱家河汇合口 f i g2 8 c o n f i u e n c e o fz h u j lar r 此三种类型的交汇河口以第一种最常见，第二种比较少，第三种很少见，而 第一种类型巾尤以支流由弯曲干流凹岸弯顶上游侧入虻居多。史流在凹岸汇入， 干支流的交汇角是关键因素，由于干支流水量的大小不一定同期，更不会同步， 第二章长江上游汇合口特性及碍航特征 1 3 汇流角大，必然迫使主流线游荡，航道水深很难维持。支流在凸岸汇入，对稳定 航道水深有利。支流在直段汇入，一般可以借助它去改善航道条件。用河道自身 的力量去治理航道，比单纯用工程建筑物更有利。现在研究工作者们大部分是基 于单纯的斜接和“y 型入汇来研究的，鉴于以上情况，研究支流从凹岸和凸岸入 汇的情况也迫切需要。在今后的研究中，可以在非对称型汇流口、“y 型汇流口 及弯曲河道研究的基础上，对弯曲干流型汇流口水力特性和泥沙运动规律的研究， 这些研究成果也将丰富学科知识，更好的指导汇流口航道整治，对推动学科发展 和科技进步均具有重大意义。 此种分类是基于长江上游段来研究干支流交汇形式的，此种划分形式对于平 原河流可以起到一定的借鉴作用h 9 1 。 2 2 长江上游汇合口碍航成因分析 2 2 1 汇合口水流流动特征及分区 为了说明干支流交汇区的水流流动特性，研究者们把汇合口段分成了几个区 域。兰波1 酬将交汇河段( 干支流交汇相互影响的整个范围) 分为三个区域：壅水区 ( i 区) 、合流区( i i 区) 、集流区( i i i 区) ，如图2 9 所示。其中壅水区包括干流段、 支流段。在该区内，干支流都受到对方不同程度的顶托，使流速减缓，泥沙沉积。 在此区域内，水流平稳，流线平行于边壁。干支流在合流区开始混合。由于二股 水流汇合时相互冲击、摩操和挤压作用，水流现象混乱，水流结构极其复杂。水 流进入集流区，由于折冲分离损失一大部分能量，在下方右侧形成漩涡区，造成 一个低流速区，使泥沙落淤；支流来水从表面顶冲，然后插入河底折回右岸，形 成横向平轴环流，水流到下方一定距离后才完全掺混。之后国内外进行的研究大 致把汇合口分成六个区域( 如图2 1 0 ) ：支流与干流交汇，两股水流间存在一个剪 切面，在汇流口干支流河道上游交汇角点，水流由于边壁的阻滞作用，存在一个 水流流速很小甚至停滞的区域，这个区域便是停滞区。该区域以干支流河道上游 交汇角点为起点，以干支流水流交汇点为终点。这样，干支流水流交汇点横、纵 向位置的确定也就确定了停滞区的长度及位置。该点的位置主要受干支流水流的 交汇角、汇流比、来流强度所控制。由于干支流相互顶托作用，在汇流区和集流 区的一部分水域内干支流的水流急剧混掺，支流向主流方向挤压。形成水流偏向 区。对于“非对称 形汇流口，支流水流受河道固壁边界约束，发生流线弯曲， 而支流水流的入汇通常迫使干流水流发生偏向。由于汇流口水流的三维性，这种 水流的偏转远不是汇流口河道平面形式那样的简单。通常情况下，汇流口上下层 水流动量不同，分离区的大小不同，上下层水流流路受到的压