● 摘要
溯源冲刷是发生在坝前水位迅速下降或大幅度下降，以至局部库段水深远小于平衡水深，甚至淤积面高于其下游水位而产生的自下而上的剧烈冲刷。溯源冲刷过程中，水流流速较大，河床变形剧烈，具有较强的紊动动能，出现局部跌水，且跌水位置会逆水流向上游快速后退。溯源冲刷不仅可以排走上游来沙，而且还能冲刷前期淤积物，是水库重要的排沙方式之一，是迅速恢复库容的有效措施。国内学者针对溯源冲刷开展了大量的研究工作，通过对水库溯源冲刷观测资料分析、实验室溯源冲刷试验模拟等手段获取了对该现象的认识，并在此基础上对溯源冲刷图形和机理进行了初步的研究。这些成果既有经验关系式也有基于假定条件下的方程解等。但这些研究成果中大都是对溯源冲刷宏观现象的把握，尚未对跌水溯源冲刷进行深入研究和模拟，同时，溯源冲刷数值模拟也忽略剧烈河床变形对水流连续、水流运动方程的影响。因此，深入研究溯源（跌水溯源冲刷）冲刷机理和水沙耦合解法的溯源冲刷数值模拟非常必要的。本文通过实体模型试验、理论分析、数值计算等流体力学研究手段，对跌水溯源冲刷机理和水沙耦合解法的溯源冲刷数值模拟等问题进行了较系统的研究。所取得的主要研究成果如下：1. 建立了跌水溯源冲刷模式。通过模型试验观测跌水溯源冲刷发展过程、结合湍流相干对泥沙影响的研究成果，引入湍流猝发阶段的相干结构尺度对跌水处冲刷泥块的大小的重要影响，紊流相干的猝发阶段，猝发平面尺度为宽度是水深的２倍左右，长度为猝发宽度的3倍，依此来确定冲刷泥块的平面尺寸，泥块的厚度由有河床物质组成来确定，由此即可确定跌水处泥块冲刷的大小。对于泥块被冲刷后，滩岸的稳定和滑塌可以按照粘性土河岸稳定性理论进行计算。2.建立了含有溯源冲刷模式的平面二维水沙耦合数学模型。论证了溯源冲刷（特别是跌水溯源冲刷）能引起河床的剧烈变化时，不能能忽略床面变形速率对水深变化速率的影响，建立了考虑水沙耦合溯源冲刷数学模型。基于二维水沙耦合解法的溯源冲刷模型研究采用二维浑水控制方程，并用无结构三角网格下的有限体积法离散。还对模型中关键参数进行了论证。3.验证了平面二维水沙耦合溯源冲刷模型的数值方法的强健性、稳定性和计算结果的合理性。利用定床、动床条件下的经典流体力学算例对模型的水流模块、泥沙冲淤模块进行了验证，动床条件下的验证结果表明：当床面变形速率与相应水深变化速率相当时，数值模拟中必须采用浑水控制方程及耦合解法；模型能模拟不同流态的水流、泥沙及床面的相互作用过程，能解决床面变形速率与相应水深变化速率相匹配等问题；模型的水流模块和河床冲淤模块的数值解法稳定、计算结果合理。4.模拟了小浪底水库降水溯源冲刷实际过程和方案计算。在对模型验证的基础上，初步对小浪底水库2004年溯源冲刷实例进行了应用研究，模拟结果表明：基于二维水沙耦合解法的溯源冲刷模型能较好的模拟溯源冲刷过程，在定性和定量方面都较为合理，可以应用于实际工程中。