插有缓变曲线弯道水流运动的三维数值模拟

若能够有效地利用数值模拟来揭示弯道水流运动和床面冲淤流变规律,将可以节省大量的人力、财力和时间。为此,通过引入可以舒缓水流冲击力和离心力作用的缓圆缓和对称凸型这2种新的弯道型式,减轻水流对河床及堤身、堤脚的冲蚀破坏。数值模拟结果表明缓圆缓弯道和对称凸型弯道的水面超高及横比降较圆弯道大幅减少;除弯道进口外,插有缓变曲线的2种弯道的凹岸近底流速均小于圆弯道,凸岸的弯道进口附近及过弯顶断面后,这2种弯道的近底流速较圆弯道明显减小;插有缓变曲线的2种弯道的深槽明显比圆弯道的要浅。     

基于MIKE3流场模型的河流上游明渠弯道水流三维数值模拟研究

通过三维有限元软件MIKE3对不同弯道进行数值模拟研究,其中包括对圆弯道、缓圆缓弯道及对称凸型弯道3种类型的水面超高、比降和平均流速分布进行分析。经过对3种弯道的比较分析得知,缓圆缓弯道和对称凸型弯道的流速大小和变化范围基本相似。在凹岸,近底流速小于圆弯道;在凸岸,弯道进口附近及过弯顶断面后这两种弯道近底流速较圆弯道明显减小,表明插入缓变曲线后的弯道有效减少了过大、过小近底水流流速的出现,对壁岸、床底的淘刷程度将会小于圆弯道。     

常曲率U型弯道水流结构与泥沙冲淤试验研究

通过在常曲率U型弯道水槽试验中采集的流速和水深过程数据,研究了弯道内水流结构及泥沙冲淤形态,分析了水流与床面之间的相互影响。试验发现:(1)弯道水流结构水面线发生扭曲,水流动力轴线及三个方向的垂线平均流速随流程和横向分布均有变化;(2)由于弯道特有的几何特征,使弯道中水流产生特有的弯道环流运动,弯道环流运动引起弯道泥沙的横向输移,形成弯道凹岸冲刷、凸岸淤积的冲淤特性,反之,床面形态的变化也使水流结构发生改变。研究所得结果可为河流泥沙研究提供参考。     

冲积河流塌岸淤床交互作用过程与机理的试验研究

河岸崩塌是河道横向变形的重要表现形式,崩塌体作为陡增的泥沙源反作用于河床演变,进一步影响岸坡的二次崩塌。在弯道水槽中展开系列试验,研究水力作用下非黏性及黏性均质岸坡冲刷崩塌力学机理、塌岸淤床交互作用过程及其影响因素。试验表明,水流冲刷过程中岸坡破坏是水流淘刷岸坡坡脚、岸坡崩塌及崩塌体淤积坡脚,并在河床上分解、输移掺混中交互作用的反复循环过程。岸坡崩塌、崩塌体与河床发生掺混最剧烈处位于弯道出口水流顶冲点附近,非黏性岸坡崩塌更容易发生在水面附近较浅的地方,而黏性岸坡崩塌更倾向于在坡脚附近较深的地方发生。近岸流速及河床可动程度越大,岸坡总冲刷坍塌量也越大,对于非黏性土其岸坡崩塌体在河床上的总淤积量也越大。研究成果初步揭示了塌岸与河床冲淤的交互作用模式,为进一步深入的研究奠定了基础。     

基于CCHE模型的石门子渠首弯道水沙数值模拟

采用CCHE 2D软件中的k-ε闭合紊流模型,对大西沟石门子渠首人工弯道段进行二维水沙数值模拟研究,得到弯道水位横比降、典型断面泥沙冲淤形态、泥沙的横向输移现象以及泥沙冲淤后的河床变形,并将断面泥沙冲淤形态与物理模型试验数据进行对比,二者吻合较好,并且符合弯道凹岸冲刷,凸岸淤积的机理。通过对比分析可知,CCHE2D软件在用于模拟弯道水沙运动时,可充分展现弯道环流作用下的泥沙冲淤效果,但对于横断面环流作用下的流速矢量分布及水沙变化过程还需借助三维软件。     

基于数值模拟的平原河流弯道生态治理研究

建立基于有限体积法的平面二维水动力模型对海河流域鲁北平原典型河流弯道进行数值模拟,模拟研究不同流量和不同河床形态条件下河流弯道水流流速,并根据流速与河床冲淤关系分析不同工况下河床、河道边坡的冲淤变化,选出适宜河流弯道生态治理的河床形态,即在原始自然河床基础上进行拓宽、保持自然状态的河床形态。该河床形态的弯道流速梯度小,可以减缓两岸流速分布的不均匀性,水流动力轴线趋于河道中心线;水流流速分布趋于平缓,水面横比降小,弯顶下游低流速区域小,可以减少泥沙淤积。结合土壤生物工程技术,根据弯道水流模拟分析结果,提出平原区典型河流弯道生态治理的布设方案:弯道处河床只添加生态丁坝,或在主河槽处添加高度为15 cm及以下的潜坝。治理方案模拟结果表明添加生态丁坝可以较好地改善弯道水流流场。     

三峡工程蓄水运用后长江中游河道演变初步研究

三峡工程是长江流域治理开发的关键性工程。本文在分析三峡工程蓄水运用以来坝下游水沙特性变化的基础上,采用长江中游宜昌至湖口多年的实测地形资料,对建库前后该河段的泥沙冲淤变化及河势演变特点进行了深入的探讨。研究表明:三峡工程蓄水运用以来,坝下游输沙量大幅减小,荆江三口分流分沙特性尚未发生明显变化,长江与洞庭湖的关系进一步调整;坝下游河势总体稳定,但河床冲刷强度加剧,并由蓄水前的冲槽淤滩转变为滩槽均冲。宜昌至枝城河段河床纵向冲刷明显、洲滩面积萎缩、床沙明显粗化;荆江河床冲刷下切,河床形态逐渐向窄深形式发展;城陵矶至湖口河段部分弯道段主泓横向摆动、凹岸崩塌,分汊段主泓摆动不定,滩槽冲淤交替仍较为频繁。     

丁坝群对弯道水力特性影响的数值模拟研究

弯道螺旋流是弯道水流的特点之一,弯道环流会造成凸岸发生淤积,凹岸遭受冲刷,对护岸工程非常不利。在弯道中布设丁坝可有效减弱弯道螺旋流强度,改善水流流态,保护岸坡稳定。采用RNGk-ε湍流模型,应用VOF法捕捉自由水面,采用半隐式SIMPLE算法求解速度与压力耦合方程组,模拟在60°弯道内布设丁坝群后弯道水流特性。研究表明:数值模拟的水位、流速和试验数值据吻合良好。弯道内设置丁坝群后,可有效改善凹岸区域的冲刷及凸岸的淤积,主河槽的水深增加,水面横比降减小,说明丁坝群的布置在稳定弯道水流,防止岸坡冲於方面有较好的效果。     

下荆江熊家洲河段平面形态与河床冲淤变化

熊家洲河段位于长江中游下荆江尾端,其平面形态从顺直过渡到微弯再逐渐演变成S型,是目前荆江最为弯曲的河段。受水沙条件、河岸边界条件、自然裁弯和人工裁弯等因素影响,局部河势调整频繁。熊家洲凸岸斜槽裁弯形成新河槽,导致主流与支汊成为共生的分汊河势,改变了熊家洲出口段水流条件,进而影响下游七弓岭弯道崩岸速率和河床冲淤。为全面分析熊家洲河段平面形态演变过程和河床冲淤变化,选取枯水期遥感影像数据及沿程代表性断面进行分析。结果表明:熊家洲河段整体向下游蠕动且河道展宽,熊家洲弯道新生河槽呈冲刷扩大趋势,7 a平均展宽70 m;出流沿程断面深槽从左岸向右岸方向发展,熊家洲下游的深泓线偏向右岸;三峡水库建成运行后,深泓线开始贴近七弓岭凸岸,而原深槽回淤形成2个沙洲,经过七弓岭弯顶后逐渐向凹岸偏移,出熊家洲弯道后河道沿程呈现冲刷下切趋势。研究成果对目前该段河势控制工程的实施提供了参考意见,为下一步研究三峡水库运行的河势控制提出了思路。     

河床冲淤演变的洪水绳套曲线规律研究

在不考虑河床冲淤的洪水水位流量关系式的基础上,通过引入冲刷系数及淤积系数,将发生冲淤时的洪水水位流量关系调整为水深流量关系,分别得到了涨水冲刷、落水淤积及涨水淤积时的水深流量关系式。结果表明,涨水冲刷、落水淤积只会削弱曲线的胖瘦,涨水淤积时既会改变绳套曲线的方向,也会影响曲线的胖瘦。河床朝淤积方向发展时,绳套曲线为逆时针方向;河床朝冲刷方向发展时,绳套曲线为顺时针方向。冲刷系数及淤积系数越接近1,绳套曲线越瘦。据此,可由实测的绳套曲线对河床的冲淤演变作出定性的判断。     

U形弯道建闸对水流运动特性的影响试验

试验研究在U形弯道上建闸后水流运动特性的变化,结果表明弯道设闸使弯道不同位置凹岸、凸岸及中线水位产生显著差异,从而导致水面横比降变缓、水流动力轴线变光滑、流速分布变均匀,为深入分析建闸后弯道水流特性及建闸对泥沙运动、河床演变等的影响研究提供借鉴。     

岸坡崩塌条件下弯道环流与水流剪切力的变化特征

河岸崩塌(又称为崩岸或塌岸)是水动力作用下岸坡失稳的一种主要形式,属于一种典型的水力与重力的复合侵蚀。本文采用黄河上游宁蒙河段的磴口黏性河岸沙为实验用沙,通过实施8组弯道水槽实验模拟塌岸过程与河道冲淤演变过程,重点观测并分析崩塌近岸水位、流速、颗粒粒径及河床冲淤形态等水力-泥沙-河床三方面因子变化特点,揭示黏性岸坡崩塌过程水流剪切力分布特征及其对河道冲淤形态影响机制,结果显示崩塌体头尾部的剪切力突增,形成较大剪切力区,尾部剪切力大于头部剪切力,尾部形成涡流,流速分布混乱,加快崩塌体的分解和崩塌进程。实验进一步揭示了崩塌过程河床形态对水流剪切力的响应关系,为建立崩塌河段泥沙输移模型提供了基础依据,并可供河道整治工程规划设计参考。     

下荆江熊家洲至城陵矶弯曲型河段河床调整规律

三峡水库运用后, 坝下游水沙过程发生了较大调整, 对下荆江熊家洲至城陵矶弯曲型河段河床冲淤演变造成较大影响, 从而对本河段河势稳定、防洪、航运等可能造成不利的影响, 基于此, 根据最新实测资料分析水沙条件变 化及其对本河段河床调整规律的影响。研究成果显示: 三峡水库运用后, 水流含沙量大幅减小, 且水库调蓄导致熊 家洲至城陵矶河段在枯水期径流量明显增加, 使弯道主流长期偏向于凸岸, 引起凸岸边滩大幅冲刷, 这是近期该河段发生“撇弯切滩”的主要原因之一; 随着三峡上游干支流水库群陆续建成运用, 坝下游河道将会长期遭受清水冲 刷, 河床仍将呈单向冲刷下切的趋势, 弯顶段主流平面摆动仍将较大, 弯道顶冲点也将相应下移, 导致主流贴岸距离 进一步下延, 引起河道岸线的崩退, 未来一段时期内典型弯曲型河道的局部河势变化仍将明显。     

滹沱河倒虹吸工程口门特性及河道冲淤试验研究

滹沱河倒虹吸工程是南水北调中线总干渠河北省段穿河建筑物最重要的工程之一.穿河建筑物所在河段宽浅、主流摆动不定、河床冲淤变化无常.通过资料分析、物理概化模型及计算等方法,分别就穿河建筑物所在河段的河床冲淤演变、河道水流流态、口门位置、口门型式和宽度、倒虹吸工程下游局部冲刷及两岸防洪等方面进行了模型试验研究.通过试验分析比较,了解了洪水过程中主河槽游荡的趋势,确定工程口门宽度为2000m,工程口门位置上、下游的冲刷及回淤情况和裹头附近的冲刷深度,并将总干渠"S"曲线段改为直线段,减轻了口门附近梨型导流堤局部的冲刷强度.为设计提供了依据,并可供同类工程设计参考.     

兴隆水利枢纽坝下游河段河床演变分析

兴隆水利枢纽是汉江中下游水资源综合开发利用的一项重要工程,工程河段兼有游荡型及弯曲型河道的特点。自丹江口水库运用以来,受水库清水下泄的影响,该河段的来水来沙条件发生较大变化,根据实测水下地形资料,全面分析了工程河段河床演变特征。结果表明:2005～2016年间河段内深泓线平面位置摆动频繁且幅度较为显著,特别是在弯道及过渡段范围内,还伴随着边滩与江心洲滩的冲淤发展。河床呈冲淤交替变化,主要以冲刷下切为主。断面变化较大的位置主要集中在过渡段和弯道段。在今后较长时期内,工程河段河床仍将呈冲刷趋势,但随着丹江口水库坝下游河道冲刷下移及自身调整,工程河段将逐步向冲淤平衡方向发展,总体河势将趋于稳定。     

弯曲型感潮河口泥沙输移规律的数值模拟

应用MIKE21软件中的Flow Model FM模型,对不同上游流量、不同中值粒径条件下的弯曲型感潮河口泥沙输移规律进行了数值模拟,并通过实测资料对模型进行了验证。结果表明:弯曲型感潮河口在丰水期、中水期和枯水期的水位变化规律基本一致,不同粒径对水位的影响不是很大,潮水位起主导作用;在丰水期冲刷区域主要集中于进口段顺水流方向左侧、弯道段凹岸及出口段左岸,淤积区域主要集中于弯道段的凸岸;在中水期同一时刻对应的河床高程是出口处河床淤积、进口处河床冲刷,在枯水期同一时刻对应的河床高程则是弯道处淤积、进口处冲刷。     

无粘沙质床面上冲积性河湾形成和演变规律自然模型试验研究

基于雷诺方程和有限体积法建立了描述弯道水流运动的三维数学模型，并利用室内物理模型试验进行验证，验证结果表明，数学模型能够较好地模拟弯道内水流的流速分布以及湍流特征。以验证后的模型为工具，对具有不同平面形态和床面形态的弯道中的水流运动进行了模拟，模拟结果表明：弯道中浅滩和深槽相间的地形起伏加剧了断面流速分布的不均匀性，同时使得水流动力轴线更加偏向凹岸，流速的沿程变化也较平整床面更为复杂；另外，与对称型河弯（正弦派生曲线型）相比，非对称河弯（Kinoshita派生曲线型）中在两弯顶中间存在较多的低流速区，有利于泥沙的落淤，而对岸流速一般较大，形成河岸的快速崩退，这能够从一个侧面解释非对称河弯向下游方向整体的快速迁移。     

黄河下游河道横断面变化特点及对弯道的影响

黄河下游河道横断面变化直接关系河道的排洪输沙能力,横断面形态变化对弯道曲率的影响关系着河道的河势变化,一直是黄河下游河床演变研究的重点。从1986—1999年淤积缩窄时期和2000—2013年冲刷展宽时期入手,采用实测大断面数据,对黄河下游各河段横断面冲淤情况进行分析,给出了弯道曲率与横断面形态特征的关系式,分析了黄河下游横断面形态变化对弯道曲率的影响。结果表明:黄河下游河道各河段在冲刷时期,主槽宽逐渐变大,在理想条件下河道宽浅,弯道流中流速横向分布不均,容易造成塌岸冲刷,河道将会越来越弯曲。     

天然连续弯道中水流运动的三维数值模拟

为了研究天然河道中水流运动规律和河床演变及泥沙冲淤,建立了适体坐标下修正的紊流水流数学模 型. 采用有限体积法离散控制方程,并运用SIMPLEC 算法计算了黄河沙坡头河段连续弯道的三维水流流场,通 过实测资料对计算结果进行了对比分析. 结果表明,模型计算值与实测值吻合较好,反映了天然连续弯道水流 的基本特性,即水面的水质点向凹岸运动, 而近底的水质点向凸岸运动. 说明该模型可以用于模拟天然连续弯 道的水流运动.     

上荆江典型断面河床纵横向变形过程的概化模拟

针对当前三峡工程运用后坝下游河床的调整特点,将床面冲淤与河岸崩退的计算模块相结合,构建了基于断面尺度的河床纵向及横向变形的概化数学模型。以上荆江荆34断面为研究对象,采用概化模型计算了该断面2006年和2008年水文年的河床纵向与横向变形过程,计算的河床纵向冲刷量、河岸崩退总宽度及崩塌后岸坡形态等结果与实测结果吻合较好。此外还分析了考虑与不考虑床面冲淤2种情况下2006年荆34断面形态调整的计算结果,该断面河床冲刷主要集中在枯水河槽,床面冲刷下切导致河岸高度增大,最大增幅约1.9 m,且考虑河床冲淤后计算的河岸崩退总宽度比不考虑时的计算值偏大20%。表明了近岸床面冲刷下切导致滩槽高差增大,将会加剧崩岸的发生。