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。     

适用于中小河流受损岸坡修复的楔形丁坝群水力特性初探

河道内流动控制结构物作为一种主动防护型的护岸型式,以其特有的生态效益,伴随着河流治理理念由渠化向河流再自然化的回归,日益成为新的研究热点。在归纳总结国内外常见河道内流动控制结构物分类和作用特性的基础上,选取逆水流方向布置的楔形丁坝为研究对象,采用三维数值模拟方法对布置楔形丁坝群前后193°强弯曲水槽内的三维水力特性进行对比分析,初步分析弯曲水槽内楔形丁坝群的作用机制和挑流效果。研究结果表明:楔形丁坝群主要通过调整弯道内的二次流结构,达到将高流速水流挑离凹岸、避免岸坡遭受冲蚀的目的;楔形丁坝群布置会造成弯道内水位雍高,高流速水流向凸岸一侧偏移,其雍水高度和偏移程度与楔形丁坝群的布置方式密切相关。研究成果对于河流生态修复领域生态水工结构物相关研究的开展与深化具有借鉴意义。     

丁坝挑角对弯道防护的影响

本实验以曲线型交汇口弯道防护为出发点,研究挑角不同时丁坝群对曲线型交汇口弯道的影响。以曲线型交汇口弯道中布置丁坝群为研究对象,采用物理模型试验,主要分析非淹没丁坝在相同流量、不同挑角工况下对曲线型交汇口处弯道自由水面形态、纵向流速分布、纵向紊动强度分布的影响。研究表明,在弯道凹岸布置丁坝群后,可以束窄水流,调整、优化流速分布,改变弯道水流的自由水面形态。当丁坝挑角改变时,对弯道防护也在改变,探究出在丁坝挑角约为45°时对弯道的保护达到最优。     

U型弯道水槽内T型和L型组合丁坝群对水流特性影响试验研究

为研究不同组合丁坝群对河道水流水力特性的影响,试验在U型水槽弯道凹岸侧布置不同的丁坝群,利用粒子图像测速系统(particle image velocimetry system, PIV)和无线水位测量系统等仪器对水流流速和水位等物理量进行测量,分析不同工况下弯道内水流水力特性的变化。结果表明,L型丁坝是最有利的条件,可以显著降低凹岸侧的流速,增加凸岸侧的流速,且其水头损失相对较小,可以降低水流对凹岸侧的泥沙冲刷,防止凸岸侧的泥沙淤积,对工程实际具有重要指导意义。文章在前人研究基础之上,创新设计不同的丁坝组合进行对比试验,分析得出利于工程实际的结论。     

桩排防护弯道冲刷的试验研究

本文介绍了桩排防护前后弯道凹岸水流条件及河床变形的变化,提出了桩排防冲效果、本身局部冲刷、分流、降速等估算方法,并与潜坝、丁坝、抛石护岸等防护形式进行了比较.因试验条件所限,很不周全,仅供关心此问题的同志们参考.     

丁坝长度对弯道水力特性影响的数值模拟研究

于河道弯折处设置丁坝后,其水流特征显著改变,为探究该问题,采用RNG k-ε湍流模型及VOF模型对60°弯道内的单丁坝绕流进行了三维数值模拟,模拟中分别计算了设置3种丁坝的工况(模型单丁坝的长度分别为0. 15、0. 25、0. 35m)。基于数值计算的结果,重点对弯道流场结构、断面流速分布、湍流特征参数和液面特性等进行了分析探讨。研究表明:水流流经无丁坝的弯道,会对凹岸产生冲刷,凸岸造成淤积;丁坝的布设,加剧了凹、凸两岸的流速不均匀性,削弱了对凹岸的冲刷,调整了水面横比降;当丁坝长度增长,混流区的尺度变大,流体湍动能以及湍流黏度的强度和作用范围随之变大;在坝后流动分离区域,湍动能呈现最大值,在坝后旋涡中心区域,湍流黏度呈现最大值。     

丁坝对弯道水流特性影响的试验研究

该文采用超声波水位和PIV流速测量技术,在U形水槽中保持进口流量和尾门水位不变,在弯道进口前布置丁坝,通过改变丁坝坝宽和距弯道进口断面的距离,研究了丁坝对弯道水流特性的影响。结果表明:丁坝改变弯道纵向水面线形态,减小弯道内的沿程横比降,削弱弯道内的横向环流,转变凹岸弯顶附近的高水位为低水位。当坝宽较小或丁坝距弯道较近时,坝后回流区较长,且回流区长度与弯道进口处凹岸向的半断面平均流速之间存在近似的线性关系。研究结果可为弯道护岸工程设计提供科学依据。     

强潮河段弯道海塘丁坝群防护效果试验研究

针对强潮河段弯道海塘建设维护中,如何有效布置丁坝群才能达到最优防护效果的问题进行了探讨。以柯桥海塘为例采用整体物理模型对设计强潮动力条件下的不同丁坝布置形式的防护效果进行试验研究，试验结果表明，丁坝高程宜布置在平均潮位以上，低丁坝群的坝距与坝长比控制在3.125内较为合适，采用两低一高的布置形式防护效果性价比相对较优。研究结果可供强潮河段弯道海塘丁坝群设计参考。     

透水斜槛参数对溢洪道弯道水流改善效果的影响

为研究溢洪道泄槽弯道布置不同透水斜槛的水流改善效果,进行室内水工模型试验,对不同透水斜槛方案的弯道水流改善效果进行分析比较。结果表明:弯道布置透水斜槛能够改善水流条件,提高弯道水面均匀度,减小横断面水面差;当透水斜槛较高、条数较多而流量又较小时,将出现弯道凸岸水面高于凹岸的现象;利用回归分析方法,建立了考虑透水槛高、斜槛条数及透水率等参数的弯道水面改善效果预测模型,可供工程设计参考。     

黄河宁夏青石河段丁坝间距研究

通过对丁坝防护弯道的效果分析,认为丁坝间距不仅会影响坝头的局部冲刷深度,而且会影响丁坝防护弯道的效果。据此,借助模型试验及理论研究成果,分析不同工程边界条件下施工期流量、整治流量及20 a一遇设防流量下的水流流态、局部冲刷和河势演变,并从丁坝间距与丁坝所在河段的位置有关的角度出发,分析了凹岸丁坝群的丁坝间距与丁坝坝长的关系。研究表明:1.1倍坝长丁坝间距和1.5倍坝长丁坝间距对水流流态、局部冲刷和河势演变的影响差别均较小,结合理论研究认为来流方向与坝迎水面的夹角为60°～75°的坝段,丁坝间距应优先采用1.1倍坝长;来流方向与坝迎水面的夹角为20°～30°的坝段,丁坝间距宜采用2.0～2.6倍坝长。     

黄河下游透水丁坝瞬溃后水力及冲淤特性研究

溃坝是一种瞬时带有巨大破坏作用的灾害性过程,可引起河床的骤冲、骤淤以及下游岸滩失稳坍塌。基于MIKE21 FM软件构建二维水动力数值模型,模拟了黄河下游老君堂河段拟建透水丁坝群中首排丁坝瞬时全溃后所诱发的水流泥沙运动过程,分析了溃坝后床面剪切力的分布变化,阐明了坝群附近河床的冲淤特点。研究表明：首排坝瞬溃后,溃坝波受下游丁坝群的影响而改变了其传播演进过程线;溃坝对主槽的输沙能力影响较弱,但却显著地影响了坝区泥沙的起动和沉降;首排坝的坝体和次排坝的坝头是受损最严重的区域,因此建议采用实体丁坝与透水丁坝相结合的复合式配置方式,即首排坝和次排坝采用实体丁坝、其余位置采用透水丁坝,以加强各工况丁坝群运行的稳定性。     

非淹没异侧双体丁坝水流恢复区长度计算

丁坝恢复区长度是认识丁坝群作用尺度的一个重要指标,目前关于这方面的研究成果不多。分别基于双丁坝断面流速分布相似划分准则（准则Ⅱ）和大尺度涡不相重叠的作用尺度划分准则（准则Ⅰ）计算两种间距阈值,然后将恢复区长度转化为上述两个阈值的差,利用率定后的RNG κ-ε紊流数学模型进行数值模拟试验。建立了准则Ⅰ下的间距阈值经验公式,结合前人提出的准则Ⅱ下间距阈值的经验公式获得非淹没异侧双体丁坝恢复区长度的计算经验公式。验证结果表明,该公式计算精度较高,有一定的应用价值,可为以后河流系统中丁坝群的合理布置提供一定的参考。     

天然河道丁坝群局部冲刷三维数值模拟

为研究天然河道中丁坝长度对河床的冲刷影响,基于天然河道形状和实际丁坝群布置,提出适用于天然河道形状的丁坝群局部冲刷计算流体力学(CFD)三维数值模拟方法,建立了滦河马良子段丁坝群三维模型。采用RNG k-ε模型模拟计算,用VOF方法进行自由表面的追踪,并对丁坝局部冲刷坑形态及冲刷深度进行了数值模拟。对比实测数据,数值模拟结果与实测结果非常吻合。针对丁坝群中局部冲刷最严重的丁坝,对其长度进行调整,调整后冲坑深度明显改善。     

冰期河流弯道冰水动力学行为研究

以黄河什四份子弯道为研究对象,基于2019-2020年度的凌情监测影像及现场试验数据,分析了河流弯道冰水动力学行为特征。结果表明:上宽下窄的河道形态是造成弯道卡冰的主要原因,流凌-封河阶段,弯顶节点工程对水流的顶托作用促进了上游回流区的形成;受弯道离心力作用,河冰聚集于河道凹岸一侧,并在回流区堆积形成冰桥,从而缩小了断面过冰面积,河道逐渐封冻;弯顶下游流速大且来冰量少,形成清沟,主流向河中发展;冰塞堆积于弯顶上游凹岸主河槽内,水流被挤压至凸岸非冰塞区,弯道主流易位;在稳封期,河道冰水动力特征基本不再变化,在解冻开河期,凸岸非冰塞区流速较大,主流区冰盖优先解冻且沿主流输移,回流区冰盖最后消融,河道主流逐渐恢复至畅流阶段,整体呈复归式。     

黄河什四份子弯道冰期水流及冰塞特征研究

覆冰条件下,弯道水流固有的三维特性更为复杂,对河流弯道冰下水流特征及冰塞的研究有助于推进防凌减灾工作。依据2020年1月稳封期的原型观测数据,对黄河什四份子弯道冰下水流及冰塞特征进行了详细分析。结果表明,弯顶节点工程引起的回流是阻冰的重要条件,上游下潜的冰花因水动力不足及河势等因素影响发生堆积,冰塞在弯内形成并沿凹岸主槽逐渐向上游发展,同时,弯顶卡冰封河与下游较大的水流流速,促进了清沟的形成;入弯至弯顶区间,冰下水流流速垂线分布基本服从双对数分布规律;受凹岸冰塞及回流影响,纵向上,水流流速呈减小趋势,在弯顶附近开始恢复;径向上,河道主流被冰塞压迫并逐渐趋于凸岸,致使弯道主流易位,凸岸水流流速大于凹岸,清沟向凸岸偏移;弯道水流湍动能与雷诺应力主要在近底处存在较大的变幅,表明近底水流运动活跃,且二者大小与流速大小在径向与纵向分布上具有较好的一致性,受冰盖影响,水流湍动能沿水深近似呈"S"形分布,雷诺应力分布无明显规律。     

黄河下游丁坝缩窄河道泥沙冲淤特性试验研究

通过动床模型试验研究了黄河下游裴峪至官庄峪丁坝缩窄河段,在河道不同位置布设丁坝,不同情况下丁坝相对长度(丁坝长度与原河道宽度之比值)对河道泥沙冲淤变化的影响。结果表明：水沙运动要素变化受丁坝布设位置和长度等影响较大,随着丁坝相对长度的增加,汛期主河槽冲刷量和滩地淤积量逐渐增大,主槽范围相应扩大,其高程普遍呈下降趋势,特别是缩窄断面导流堤顶端部位出现明显的局部冲刷坑,束水冲沙、增大输沙能力的效果明显。当丁坝相对长度大于0.50时,主流线偏移、断面流速分布和河床冲淤的变化速率明显增大,不利于河道稳定。     

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。     

黄河什四份子弯道河冰生消及冰塞形成过程分析

什四份子弯道因其特殊的河道形态及地理位置而成为黄河内蒙古段易发生冰塞断面。通过对2014—2015年冬季该段野外冰情监测及水文、气象资料分析,结合Landsat8遥感影像数据解译,研究了什四份子弯道河冰生消及冰塞形成过程。结果表明,野外观测结合遥感影像解译能够准确地反映河冰的时空特性。该河段弯道凹岸处冲积岸冰及凸岸静态岸冰的生长,极大地束窄了河面宽度,降低了水流的输冰能力,而使其成为初始卡冰位置;冰盖至此向上游发展,弯道下游因来冰量减少和上下游水力坡度增大而形成清沟;受弯道径向水流方向改变及弯道螺旋流的影响,导致冰花在冰盖下主槽与滩地的交界处堆积;稳封期受气温升降变化使得冰盖表面冻融交替,冲积冰反射率增大,后期解译的遥感影像中平滑岸冰面积较初始封河期增加。     

黄河什四份子弯道冰下环流特性研究

为分析弯道冰下水流结构与环流分布特征，利用声学多普勒流速剖面仪(ADCP)对什四份子弯道的冰下流场进行了测量，通过测量弯道的冰厚、水深、流速，分析了弯道断面冰情与冰下环流分布情况。结果表明：弯道冰下水流并不完全呈现双螺旋结构，冰封期环流集中在弯顶凹岸侧和弯顶后凸岸侧，易产生在相邻冰塞之间或是冰塞与河岸之间；环流区域环流旋度沿水深线性增大，非环流区域环流旋度则线性减小，同一位置的不同流层环流旋度大小分布基本一致，弯道后半段大于前半段，弯顶前凹岸侧大于凸岸侧，最大环流旋度位于弯顶凹岸侧，约为0.91。     

顺直河道低水生态修复工程的数值模拟

目前大多河流存在着平面顺直、断面单一的问题,需要进行生态修复。该文以奥地利某顺直河道段低水生态修复工程为例,利用水流数学模型,研究修复工程的平面布局。研究结果表明:利用错口丁坝,可在低水期形成蜿蜒多样的生态环境,且丁坝间距与错口深度是决定因素;非淹没状态下,丁坝间距为2.28倍河宽、错口深度为0时效果最佳;部分淹没情况下,丁坝间距应保持2.28倍河宽,但错口深度应大于0;相对坝高较小时,错口丁坝壅水较小,对行洪没有影响。