数学模型在长江中游牯牛沙水道航道整治工程中的应用

数学模型在长江中游牯牛沙水道航道整治工程中的应用作者：孙冬梅，张明进，冯平，朱玉德，SUNDong-mei，ZHANGMing-jin，FENGPing，ZHUYu-de作者单位：孙冬梅,SUNDong-mei(天津大学,建筑工程学院,天津,300072;交通部天津水运工程科学研究院,工程泥沙交通行业重点实验室,天津,300456)，张明进,朱玉德,ZHANGMing-jin,ZHUYu-de(交通部天津水运工程科学研究院,工程泥沙交通行业重点实验室,天津,300456)，冯平,FENGPing(天津大学,建筑工程学院,天津,300072)刊名：水利水电技术英文刊名：WATERRESOURCESANDHYDROPOWERENGINEERING年，卷(期)：2009，40(7)被引用次数：0次参考文献(10条)1.长江流域规划办公室水文局长江中下游河道基本特征19832.陈显维.许全喜.陈泽方三峡水库蓄水以来进出库水沙特性分析[期刊论文]-人民长江2006(08)3.交通部三峡办公室长江三峡工程泥沙和航运问题研究成果汇编(Ⅱ)19974.陈济生三峡工程泥沙研究19975.张华庆河道及河口海岸水流泥沙数学模型研究与应用[学位论文]19986.张明进.张华庆长江中游牯牛沙水道航道整理工程数学模型研究20077.朱玉德.刘万利长江中游牯牛沙水道航道治理工程物理模型动床试验研究20078.李旺生长江中游戴家洲河段河床演变初步分析报告20079.李旺生长江中下游航道整治技术问题的几点思考[期刊论文]-水道港口2007(06)10.李青云.张明进长江下游东流水道航道整治经验总结[期刊论文]-水道港口2007(06)相似文献(10条)1.期刊论文张明进.伍文俊.ZHANGMing-jin.WUWen-jun浅谈数值模拟技术在长江中下游航道整治中的应用-水道港口2010,31(2)在目前已经深入展开的长江中下游航道整治工作中,数值模拟技术得到了广泛的应用.根据数值模拟技术的特点,结合工程应用实例,对长江中下游航道整治中数学模型能够解决的问题进行探讨.在复杂的长江中下游航道整治问题研究中,数值模拟与物理模型互为补充,而且数值模拟能够做一些探索性的计算研究,这些研究将是物理模型试验的基础与延展,为最终解决航道整治中涉及的一些关键问题提供技术支持和科学依据.2.学位论文岳俊飞武桥水道航道整治工程流场数值模拟试验研究2009武桥水道位于长江中游武汉市主城区，上起汉阳杨泗庙，下至武汉长江大桥，全长5km，为一顺直狭窄水道。其上游为白沙洲水道，下至汉口水道。武桥水道内的洲滩深槽包括白沙洲、潜洲、荒五里边滩、汉阳边滩和武昌深槽等，碍航已久，此区域水流条件复杂，航行条件恶劣，多次发生船舶碰撞等安全事故，也威胁着武汉长江大桥的安全。目前，主要的维护手段是疏浚和改行非通航孔，严重时禁航施工，航道维护极其困难，但尚未对其实施航道整治工程。随着国民经济的快速发展，武桥水道的航道现状已不能适应地方经济的发展需求，也与长江水运黄金水道不相符，与“畅中游”矛盾，与长流干线航道整治规划不相适应，因此，迫切需要实施武桥水道航道整治工程。武桥水道地理位置特殊，周边环境复杂，包括武汉长江大桥、防洪、港口以及其它涉水工程。其中，沿江两岸均由防洪大堤守护，右岸鲇鱼套附近为重点险工段；港口主要有左岸杨泗庙集装箱码头、晴川阁码头以及右岸武昌轮渡等，其它涉水工程主要包括白沙洲水厂取水头、平湖门水厂取水头和武船码头等。武桥水道在航道整治工程前后水域流场发生变化，会影响到进出整治工程水域船舶和过往船舶的安全通航，及周边涉水工程的正常作业，因此，对武桥水道航道整治工程前后的流场进行模拟、分析就很有必要。本文使用CARDINAL模式，模拟分析了在枯水期、中枯水期和洪水期三种水文条件下，武桥水道航道整治工程前、后水流流场的变化，即工程实施对该水域流场的影响。本文对武桥水道航道整治工程水流流场的数值模拟分为二维数值模拟和三维数值模拟两部分。在二维数值模拟部分中，模拟分析了在三种水文条件下，工程前、工程后和工程下移300m三神情况下的流场状况，设置采样点，分析其流速、流向的变化和流速等值线，并验证了其断面流速分布和断面分流比；而在三维数值模拟中，模拟分析了在三种水文条件下，工程实施后的水流表层和底层的流场状态，并分析了相关采样点的流向、流速变化、垂直分布和流速等值线。武桥水道航道整治工程流场数值模拟试验研究，分析工程前后主流流场的变化，可以为该水域船舶的安全航行、航路选择提供参考信息；分析工程前后武汉长江大桥水域流场的变化，可以了解该工程对大桥通航环境的影响；分析工程前后缓流区的面积大小，可以了解工程前后该水域的冲淤变化，为航道疏浚提供参考信息；流场数值模拟结果，可以为船舶操纵模拟试验提供精确的流场信息，提高其模拟精度。3.学位论文李冰冻航道整治河段流动特性的三维数值模拟2003该文通过模型实验和数值模拟相结合的研究方法,在整治河段一维水面曲线计算,单丁坝绕流数值模拟,紊流数学模型在航道整治工程中的应用以及丁坝群附近水流的三维流动特性等方面做了一些初步研究.首先进行了单丁坝水槽实验,采用测压管和旋浆流速仪对实验水槽中水流的水位以及流速场进行了详细的测量.分析了丁坝附近水位在纵横向上的变化规律.实测水位资料表明水流纵横向比降大的区域位于丁坝上下游附近,在丁坝的上游出现壅水,下游存在有收缩区和恢复区,离丁坝越远纵横向水位的变幅越小.然后根据天然河流横断面流速分布公式,推导了能量方程中动能修正系数α的计算公式.动能修正系数实际上反映了河道横断面流速分布的不均匀性,与断面的水力要素有关,可用谢才系数C来表示,水流所受的阻力越大,边界对其影响也就越大,流速分布愈不均匀,导致动能修正系数增大.随后结合实测水位资料,通过采用调整局部水头损失系数、扣除回水面积以及壅水公式等不同的水面曲线计算方法对实验水槽一维水面曲线进行计算.随后采用标准κ~ε紊流数学模型,依据水槽试验资料,数值模拟了绕坝和漫坝两种情况下水流的流动过程.最后将标准κ~ε紊流数学模型应用于实际航道整治工程应用中,引入相应的边界条件,数值模拟了整治河段水流的三维流动过程.4.期刊论文李天明.冯卫兵.LiTianming.FengWeibing潭江刘樟洲浅段航道整治水动力数学模型计算与分析-港口科技2006,(9)采用可视化程度较高的水动力数学模型程序包FASTTABS对潭江刘樟洲浅段航道整治工程前后的流场进行了计算,分析了整治工程前后的水位、流速、分流比的变化情况并确定了两个整治方案中的推荐备选方案.计算中采用有限单元法中的混合插值法.计算结果与实测结果比较表明:模型较好地复演了潭江刘樟洲浅段航道流场,可以用于工程实际中的沿岸及受潮汐影响的水道流场的计算.5.学位论文王耀宗水毁路基边坡保护工程设计及二维数值模拟2006河龙高速公路是我国东营至香港的国家重点公路建设项目的重要组成部分，也是广东省“十五”期间规划建设的重点工程项目之一。该公路位于河源清溪河段，在2005年6月的东江流域特大洪水中受到严重的毁坏，沿岸边坡发生坍塌。本论文结合工程路段的实际情况，采用航道整治工程对坍塌的边坡进行保护。河源清溪河段属典型的弯曲河道，弯曲河道的水流因受离心力的作用，整个水体向凹岸壅高，凸岸水面变低，从而产生了面流指向凹岸、底流指向凸岸的螺旋状水流。由于河道表层水流较清，含沙量较小，底层水流较浑，含沙量较大，表层的清水冲向凹岸，使凹岸遭到冲刷，冲刷产生的泥沙以及上游挟带下来的大粒径沙卵石，由底流推移至凸岸产生淤积，并在凸岸形成边滩。因此，在弯道环流的作用下，土质松软的工程河段凹岸不断受到冲刷，并不断地坍塌后退，特别是在2005年东江流域特大洪水的作用下，刚刚竣工的高速公路以及河边的乡道路基的基础被洪水淘空，因此导致了边坡失稳、路面下陷等严重问题。本论文借鉴国内外众多专家对公路水毁问题的研究成果，在认真勘察工程现场和了解所在河段的地质、水文、泥沙特性的基础上，详细分析了公路水毁的原因和机理，提出了采用短丁坝和护岸相结合的航道整治工程措施来保护公路水毁边坡的设计方案，并采用数值模拟方法，对设计方案的工程效果进行了验证和比选。本论文提出了两种整治线走向的四种工程设计方案，即根据整治线的离岸距离分为较长丁坝的两种方案和较短丁坝的两种方案。同时还进行了桩式护岸的设计，并在技术性和经济性两方面与筑坝方案进行了比选。数值模拟采用沿水深积分的平面二维模型，水流为非恒定不可压缩流体，因此，采用Navier-Stokes方程来描述水流运动，利用有限单元法对方程进行离散求解，未知函数的时间导数采用差分格式来进行离散，进行空间离散时主要考虑风产生的切应力、河床底部的摩阻应力以及地球自转引起的柯氏力的影响，并采用二次插值函数对方程组进行离散。通过与原型进行整治水位下水面线和流态的验证，表明模型计算精度基本达到要求。数模计算分别对各种整治方案在设计流量、整治流量、五年一遇洪水流量三种情况下，进行了整治工程前后的水位、流速以及流态变化的分析和比较，计算结果表明长丁坝护岸更有利于使主流动力轴线偏离凹岸，从而起到保护河道凹岸的作用。6.期刊论文刘秋海.吴超羽.何志刚.韩玉梅.任杰东江博罗浅段航道整治工程数值模拟-水运工程2004,(4)采用一维三级联解方法,对东江惠州-东江口范围进行建模、率定和验证,计算和分析在各种设计水文组次(设计最小通航流量、整治流量、各级洪水流量)下,6个整治工程方案对博罗浅段水位和流速的影响,并确定推荐方案.验证结果表明:模型较好地模拟了河道的实际情况,可用于各工程方案之对比.7.学位论文许慧丁坝水流数值模拟关键技术研究2009本文针对航道整治工程中常见整治建筑物——丁坝的二、三维水流数值模拟关键技术进行了研究，主要的研究内容如下：二维水流数值模拟时，针对淹没丁坝前后缘水深突变的特性，提出了“网格界面水深法”，计算了淹没五丁坝水流运动的流速场和水位场，计算值与实测值基本吻合，说明这种处理方法是可行的。对天然河道航道整治工程进行二维水流数值模拟时，“网格界面水深法”可以灵活调整网格以适应工程方案布置，通过对安庆河段航道整治工程方案计算，说明此方法对实际工程问题行之有效。三维水流数值模拟时，采用紊流κ-ε双方程模型闭合雷诺方程组，二维数值计算结果确定自由水面高度，针对自由水面的波动，提出“固定层加变动层”的处理方法，最后采用SIMPLER计算程式进行求解，模拟了非淹没单丁坝、淹没单丁坝、淹没丁坝群水流流场，计算值和实测值对比分析表明模型正确适用。天然河道航道整治工程三维水流数值模拟时，采用正交曲线坐标变换将三维计算区域的平面区域变换为矩形区域，水深方向绝对分层，用“冻结法”处理不规则边界，用守恒较好的有限体积法离散方程，最后采用SIMPLER算法求解，计算了安庆河段水流三维流场。验证成果表明：对该河段三维流场的模拟值与实测值基本一致。在此基础上，计算分析了航道整治工程对河道流场的影响。8.期刊论文黄建权航道整治工程水流泥沙数值模拟-珠江水运2009,(5)泥沙冲淤变化是航道整治工程的主要原因,泥沙的沉降、扩散、起动与交换都与水流的作用密切相关.本文采用有限元法建立的二维水流泥沙控制方程,对航道整治工程中水动力和冲淤、河床变形进行了模拟,取得了较好的效果.9.期刊论文张明进.张华庆.刘万利.朱玉德.ZHANGMing-jin.ZHANGHua-qing.LIUWan-li.ZHUYu-de长江中游戴家洲河段航道整治工程数值模拟研究-水道港口2008,29(3)应用数值模拟方法,对戴家洲洲头不同地形下的水流特性、洲头分流面等进行了认识性计算分析.计算分析结果表明,该河段航道整治在选汊以及工程布置等方面都应以数值模拟认识性计算结论为基础.通过大量方案计算,数值模拟得出了该河段航道整治总体工程方案,整体方案工程经系列水文年过程校核,可以满足该河段远期规划航道尺度要求.10.会议论文张明进.张华庆三峡水库运行后长江中游戴家洲河段水流泥沙数值模拟研究2008戴家洲河段是长江中游重