非恒定流作用下山区通航河流丁坝水毁机理及计算仿真研究

山区河流洪水及水利枢纽泄洪等形成的非恒定水流对丁坝的破坏作用较恒定水流情况更加严重和复杂。本项目拟在前期研究工作的基础上，着重研究山区通航河流沙卵石浅滩丁坝遭受非恒定流作用下丁坝基础的淘刷引起的丁坝失稳破坏过程和在非恒定水流冲击下丁坝结构自身失效破坏的机理。通过水槽概化模型实验、理论分析和计算仿真研究，掌握非恒定流作用下丁坝水流结构、受力分布、紊动特性和河床冲淤的变化规律；揭示非恒定流影响下坝体块石滚落和坝体塌陷的特点；探索非恒定流作用下丁坝水毁部位的变化和相应的水毁形态特征；弄清非恒定流作用下丁坝破坏的机理和破坏程度；提出非恒定水流对坝体的破坏力及结构抗力的分析计算方法；建立丁坝的破坏过程、破坏程度与水力要素和河床冲淤形态的相互关系；构建丁坝遭受不稳定水流、泥沙动力条件下水毁过程的动态仿真系统。优化丁坝结构设计，提出有效治理措施，对预防和减少丁坝水毁灾害的发生具有重要意义。

丁坝是山区河流最常用的航道整治建筑物，而布置在沙卵石浅滩上的抛石丁坝更为常见，因其河床基础条件差，受洪水、水利枢纽泄洪等形成的非恒定水流的冲击、水流的渗透、泥沙和漂木的撞击等，坝体水毁十分严重。因此，为更好地弄清丁坝破坏的机理，有效地预防或减少水毁灾害的发生，急需研究解决非恒定流条件下丁坝水流结构、紊动特性、受力分布、水毁部位和形态特征、坝体块石运动及河床冲刷规律及其可靠性等基础理论问题。研究成果对指导山区河流航道整治、防洪护岸和环境治理等工程，具有重大的科学意义。.本课题在运用自回归马尔可夫模型（AR模型）及两变量Gumbel-logistic模型对寸滩水文站流量过程进行随机模拟的基础上，采用理论分析结合概化水槽模型试验的研究手段，对非恒定流条件下丁坝周围水面线变化特征、丁坝上下游跌水高度确定方法、三维流速分布规律、坝轴线断面流速计算公式、水流紊动强度变化规律、水流对坝体动水压力和脉动压力分布及变化规律、坝体块石滚落和塌陷特点、坝头局部冲刷坑发展过程及变化规律、坝头冲刷深度计算公式等内容进行了较系统和深入的研究。研究取得的创新点为：.（1）在对寸滩水文站1954-2008年日平均流量资料分析整理的基础上，提出了基于Gumbel-logistic模型和自回归马尔可夫模型（AR模型）的日均流量过程随机模拟方法；.（2）分别建立了涨水期与落水期丁坝上下游跌水高度、坝头流速及坝轴线断面主流区流速分布公式；.（3）绘出了坝体所受动水压力及脉动压力变化过程及等值线图，揭示了非恒定流条件下丁坝坝体所受的动水压力和脉动压力的变化特性；.（4）弄清了对冲刷深度和冲刷坑范围起主要作用的水文要素，给出了非恒定流作用下山区河流散抛石坝冲刷坑深度计算公式；.（5）构建了非恒定流作用下丁坝周围水动力场变化及其水毁的动态过程模拟方法。.本课题取得的研究成果应用于长江上游航道整治工程的前期工作、设计和维护中，可以提高整治和维护技术水平，有利于增强整治建筑物稳定性，为山区河流丁坝设计及其周围水沙运动规律的研究提供相应的理论基础和技术支持，也为正在主编的《航道整治建筑物模拟技术规程》的制订提供基础资料和技术支撑，对于提高航道整治建筑物的稳定性及确保航道整治工程的质量和效果具有重要的理论价值与现实意义。