正挑丁坝区鱼类栖息地水力生境指标分布特征数值模拟

丁坝区鱼类栖息地研究对河流生态保护具有重要意义,基于三维水流数学模型,探讨了正挑丁坝区鱼类栖息地水力生境指标的分布特征,结果表明：（1）水流流速随弗劳德数Fr的增大而增大,坝后回流区宽度逐渐减小,主流区沿程从急变流变为渐变流,并逐渐恢复为均匀流;（2）主流区和回流区流速梯度G较小,G>2的区域主要集中在水槽左右两岸和丁坝坝头附近,横断面上G随弗劳德数Fr的增大而减小;（3）丁坝上游至下游剖面动能梯度M的分布特征与G相似,M高值区出现在水槽右岸及坝头附近相对槽宽B⁺=0.25～0.40区段,但水槽左岸的M值较小且沿程变化不大;（4）丁坝上游流速适宜度S_u随Fr的增大而减小,丁坝和丁坝下游断面S_u随Fr的增大而增大;丁坝下游回流区的S_u较小,一般不超过0.3,而主流区的S_u可能超过0.8,表明该区域鱼类产卵栖息条件较好。研究结果可为丁坝区鱼类资源保护和生态航道工程建设提供参考。     

非恒定流作用下的阶梯形丁坝局部冲刷特性

阶梯形丁坝是常见的航道整治建筑物,天然河道中的水流多为非恒定流,非恒定流作用下的阶梯形丁坝局部冲刷特性研究,对丁坝结构设计和水毁防护等具有重要意义。采用自回归马尔柯夫模型,将天然来流过程概化为波谷起冲和波峰起冲2种情况,基于平面二维水流泥沙数学模型,探讨非恒定流作用下的阶梯形丁坝局部冲刷特性。结果表明:① 不同流量过程下,坝后主流区和回流区的流速均随上游来流量的变化而变化,波谷起冲时主流区随冲刷历时的增加逐渐分为2个区域,而波峰起冲时主流区在初期便被分为2个区域。② 受主流区变化和冲坑后方淤积区的共同影响,波谷起冲时的冲坑下游边界向下游凸起后回缩,波峰起冲时的冲坑边界向坑内收缩后扩散到下游,坝头最大冲深较恒定流条件可增加25.5%~54.3%。③ 如采用一级丁坝长度L_d1表征冲坑尺度,6 h冲刷历时中,波谷起冲时冲坑长度、宽度最大值分别可达9.2L_d1和2L_d1,波峰起冲时则分别可达11.3L_d1和2.1L_d1。     

淹没丁坝端坡对附近水流结构的调整作用

工程应用中的丁坝往往具有一定的端坡,而且经常处于淹没状态。为了研究端坡对淹没状态下丁坝附近水流结构的调整作用,采用水槽试验和三维浅水模型相结合的方法,分析淹没时丁坝阻水面积相等条件下坝头直立和具有一定端坡时丁坝附近的表层平面流场、底层平面流速分布和底层切应力分布情况。结果表明:淹没程度?H/H?0.17时,丁坝下游仍出现回流区,端坡系数m等于1时相对回流长度和坝头附近流向偏角最大;存在一定端坡时,坝头附近临近底床平面强流速范围和底床切应力范围显著减小或消失,m等于7时能够将丁坝附近流场调整得较为均匀。     

大尺度散粒体周围水流结构试验研究

大尺度散粒体是山区河流常见的床面粗糙元素。为探讨大尺度散粒体形态对周围水流结构的影响规律,采用高度均为Δ的正方体、球体和四面体3种散粒体进行单体水槽试验,基于声学多普勒流速仪获得的瞬时流速资料,开展大尺度散粒体周围水流结构研究。结果表明:(1)水深h较小,h/Δ=0.9,散粒体处于非淹没状态时,其周围水流呈U形向下游扩散,正方体的横流区范围最大,球体次之,四面体最小;水深增大,h/Δ=1.8,散粒体处于淹没状态时,其周围横流将明显减弱,水流越过散粒体后在下游形成波状起伏。(2)表层合流速U_m/U随弗劳德数Fr和散粒体阻水面积的增大而增大,Fr较大时,高速区主要出现在散粒体平面形心附近,最大值可达试验流速的1.3倍,正方体、球体和四面体对应的表层U_m/U平面分布分别呈等腰梯形、钟形和菱形;强横流区位于散粒体形心两侧1.5Δ范围内,最大横流可达试验流速的19%。(3)Fr较小时,散粒体对纵向流速u/U垂线分布的影响较小,上游断面u/U与指数分布规律吻合,下游Δ处u/U垂线分布变化明显,此后u/U垂线分布逐渐恢复为指数分布;Fr增大后,散粒体对u/U垂线分布影响的差异逐渐增强,u/U垂线分布不再服从指数分布。     

淹没与非淹没植被作用下复式河槽流速最大值分布

本文收集了不同系列的淹没与非淹没植被作用下复式河槽的流速资料并对复式河槽中流速最大值的横向分布进行了探讨。结果发现滩地流速最大值基本保持在水面附近而主槽中的流速最大值都在水面以下;当滩地种有非淹没植被时;主槽中的流速最大值分布与无植被时几乎一致,滩地流速最大值在植被密度较小时仍在水面,但当植被密度较大时,最大值会向床面靠近;当滩地种植淹没植被时,流速最大值的位置会随着植被淹没度的增加而逐渐上升,最终保持在水面附近。     

台阶式丁坝水动力特性及防冲效应

丁坝是航道整治工程中广泛采用的一种整治建筑物,然而丁坝坝头复杂的水流结构,常导致坝头局部冲刷,易诱发丁坝水毁。为减弱坝头的水流动力,提出了设置台阶式坝头的新型丁坝结构形式,并通过水槽试验研究了台阶式丁坝的水动力特性及冲淤特征。研究表明,台阶式坝头能逐级分散坝头的集中绕流,消弱坝头脱离涡的涡量强度,而台阶的台面也能逐级阻挡坝头下潜流,消弱其对床面的直接冲击;同时,台阶台面具有挑流作用,使得最大流速或最大紊动强度区相应外移,也有利于坝头的稳定。试验还研究了台阶级数、宽度以及坝身下游边坡是否设置台阶等对控制局部冲刷坑的影响。试验发现,台阶级数相对越多,宽度越宽,其减小局部冲刷的效果越好;坝身下游边坡设置台阶增大了台阶台面阻挡下潜流及挑流的面积,也有利于控制局部冲刷的发展。     

阶梯形丁坝下游回流规律分析

阶梯形丁坝在航道整治中应用广泛,其回流规律与船舶通航、坝田淤积及堤岸稳定等系列问题密切相关,但目前研究很少。应用三维水流数学模型研究双级阶梯形丁坝几何尺度及来流条件对回流规律的影响,结果表明:①回流长度随一级丁坝相对长度ε₁及高度ψ₁、二级丁坝相对长度ε₂均呈递增变化趋势,随弗劳德数Fr呈先增大后减小的变化趋势;②回流宽度随ε₁,ε₂和ψ₁变化相对明显,而随Fr变化总体较小;③回流正、负流区宽度比沿程变化曲线总体为上凸状,负流区宽度相对较大,在靠近丁坝部位可达正流区宽度的2.5倍;④回流曲线形态与ε₁,ε₂和ψ₁有关,ε₁和ψ₁主要影响回流曲线长度,ε₂影响回流曲线的整体形态;⑤回流流量一般小于来流量的10%,沿程分布曲线不对称,增流区回流流量变化相对缓慢,而减流区变化相对剧烈。     

透水丁坝局部冲淤规律试验研究

试验研究了透水丁坝附近河床的冲淤特性,绘制了这一区域的等高线图,分别对不同透水率的透水丁坝附近河床冲淤后的纵向断面、横向断面以及坝轴断面各点高程变化进行了比较.结果表明,透水丁坝的最大冲刷深度小于不透水丁坝,但其下游侧有冲刷槽,其深度从坝根到坝头差距不大,且该冲槽宽度随透水率的增大而增大;透水丁坝对河床的有效影响长度比同样坝长的不透水丁坝略长,最大淤积高程则更高,透水率为30%时的影响长度最大.说明透水丁坝在自身防护和保护范围两方面均优于不透水丁坝.     

潮汐双向流条件下丁坝水流特性研究

以长江口南支河段为原型,概化并建立水槽数学模型,研究径潮双向流条件下丁坝附近的水流结构。研究表明:丁坝一侧河岸,丁坝下游潮差远大于上游,在丁坝上游潮差小于对岸侧,下游潮差大于对岸侧;落潮时,丁坝回流区与壅水区长度大于涨潮,转流时刻,丁坝坝头附近流速相对较大;河床底部剪切应力变化在涨落急时刻最大,且落潮大于涨潮,转流时刻坝头及坝身迎水侧剪切应力增加明显。     

瓜洲泵站交汇区域水流特性分析

瓜洲泵站下游引河与古运河交汇区域水流流动较为紊乱,对船舶航行安全存在一定影响。通过CFD数值模拟可知,交汇区域以弯道水流进入下游引河,主流流速低于下游引河平均流速;靠近瓜洲闸枢纽侧出现大尺度回旋,回流区水流平均流速在0. 2 m/s以内,最大回流流速不超过0. 35 m/s,且最大回流流速分布靠近翼墙圆弧段;船舶航行靠岸侧区域的横向流速小于0. 15 m/s,纵向流速在0. 5 m/s以内;随着水深的增加纵横向水流流速有所下降;交汇区域主流最大流速小于下游河床不冲流速,抗冲满足规范要求。分析成果对类似工程设计具有一定的参考价值。     

水力插板透水式丁坝群减缓流速效果试验研究

水力插板透水丁坝是一种新型丁坝。以水力插板透水丁坝群、井柱桩透水丁坝群和实体丁坝群为研究对象进行动床模型试验。先测定各丁坝坝前和坝后各5 cm横断面上测点的流速,再用每个测点的流速算出平均流速,通过对比横断面的平均流速来判断各丁坝群减缓流速的差异性,并详细分析和解释其减缓流速差异性产生的机理。研究发现：水力插板透水丁坝群和井柱桩透水丁坝群流速的减少率和减少量同实体丁坝群相比,分别提高了34%,23%和107%,84%。流速减缓会影响丁坝的局部冲刷和坝后淤积,再对各丁坝群附近的地形进行测量,并用surfer8.0绘制了各丁坝群附近的地形图。结果发现：实体丁坝群的局部冲刷情况最为严重,坝后淤积范围最小;水力插板透水丁坝群的局部冲刷情况最不严重,坝后淤积范围最大;井柱桩透水丁坝群的局部冲刷情况和坝后淤积范围介于两者之间。     

不同绕流结构体对河道水流的影响

分别采用一维方形丁坝、二维梯形丁坝和三维堆积体概化模型,在同一水流条件下进行水槽试验,研究不同维度绕流结构体对河道水面线和三维时均流速的影响。试验结果表明:(1)在进占宽度比完全相同的情况下,梯形丁坝由于存在第一回流区,导致实际阻流面积最大,对上游阻流最强烈,方形丁坝次之,堆积体最小;(2)当阻流面积比(阻流流量比)相同时,方形丁坝在断面束窄河段的纵向流速加速能力比梯形丁坝强,水流横向偏转的幅度也更大,但梯形丁坝垂向流速比方形丁坝更大一些;(3)当沿水流方向长度相同时,堆积体由于最大截面面积较小,纵向、横向和垂向流速均小于丁坝。由此可见,常用于区分绕流结构体阻流特性的指标,如进占宽度比、阻流面积比和阻流流量比等,并不能全面表达结构体对流场的影响。     

基于生态学与水力学的水电站鱼道进口位置优化研究

为了合理布置鱼道进口,基于生态学与水力学理论和数值模拟方法,计算了某大型水电站下 游河道流场分布情况,结合过鱼对象的游泳能力和生活习性,划分了适宜布置鱼道进口的河道区域。 结果表明: 尾水渠内流态较为复杂,存在不同程度的环流或横向回流。随着机组增加,下游河道断 面流速增大,最大值可达 1. 4 m /s,但左岸位置始终存在低流速带,有利于布置鱼道进口。不同机 组组合发电运行工况下,下游河道流速分布与量值存在较大差异,需要布置 4 个鱼道进口以适应 不同运行工况。通过加设不透水丁坝的河道整治方案,左岸岸边流场得到改善,鱼类适宜聚集区 域得到集中,从而将鱼道进口布置数量优化为 3 个。研究思路和优化方法可为鱼道工程进口布置 提供参考。     

长江上游透水丁坝水面线分布试验研究

丁坝是长江上游航道整治中最常用的整治建筑物,工程实践中多采用抛石透水丁坝,此类丁坝具有一定透水性, 在现有丁坝水沙特性研究中极少考虑透水性对此类丁坝的影响。不同的空隙率和空隙尺寸对改善透水丁坝附近水位场及流速场具有不同效果。通过水槽概化模型试验,研究了3种空隙尺寸和5种空隙率工况下透水丁坝周围水面线分布情况,对比分析了不同空隙率和不同空隙尺寸等因素对透水丁坝周围水面线的影响规律。结果表明:相比实体丁坝,在一定的空隙率和空隙尺寸条件下,透水丁坝对其上游的壅水效果更佳,同时还可增加其下游水深,降低纵横向水面比降,对改善丁坝右侧束窄段水流形态、减轻丁坝水毁、延长其使用年限以及改善生态环境等方面也具有更积极的作用。     

深水航道整治中新型结构淹没丁坝水流力特性研究

为研究新型结构淹没丁坝的水流力特性,基于有限体积法与自由液面捕捉法,通过流体计算软件Fluent建立三维数学模型对不同流速、水深与坝长条件下新型结构齿形丁坝的水流力特性进行研究。同时,设计了比尺为1:50的物理模型对不同坝长条件下新型结构丁坝水流力进行补充验证,数值模拟结果与试验结果符合良好。研究不仅得到了丁坝流场流速与水深的分布规律,同时分析了不同流速、水深与坝长条件下新型结构齿形丁坝的水流力响应规律,进而通过量纲处理分析了相对坝长与淹没度对水流力系数的响应规律,通过独立化分析的方法分别探讨了相对坝长与淹没度对丁坝水流力系数的敏感性。研究成果为新型淹没丁坝在长江南京以下12.5 m深水航道整治工程的应用提供一定的技术支撑与科学指导。