【摘 要】
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弯道水流是常见的自然河流型态,其特有的螺旋流由弯道离心力和自身重力共同造成,这种螺旋流态在弯道中会造成凹岸冲刷凸岸淤积的自然现象,如果任由其发展下去会造成一定程度的水土流失,不利于两岸河流生态长稳发展,且在多泥沙流域中该现象更为明显。为此人们提出了很多在不过大改变原流场形式的基础上局部改善弯道流态的方法,有丁坝、斜槛、斜槛导向翼等。本文研究的倒刺型透水结构迎水面与背水面形状为三角形,坝身有若干透水
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弯道水流是常见的自然河流型态,其特有的螺旋流由弯道离心力和自身重力共同造成,这种螺旋流态在弯道中会造成凹岸冲刷凸岸淤积的自然现象,如果任由其发展下去会造成一定程度的水土流失,不利于两岸河流生态长稳发展,且在多泥沙流域中该现象更为明显。为此人们提出了很多在不过大改变原流场形式的基础上局部改善弯道流态的方法,有丁坝、斜槛、斜槛导向翼等。本文研究的倒刺型透水结构迎水面与背水面形状为三角形,坝身有若干透水孔,其所需的建筑材料仅为传统矩形丁坝的一半或更少,是一种较为新颖的透水丁坝,国外对这种形式的实体丁坝已有研究,但对其透水结构却少有论述。本文通过物理试验和数值模拟相互验证的方式,研究了倒刺型透水结构对弯道定床和动床内外岸水位、流速场、回流区、涡量、紊动能等方面的具体分析,为该设计参数下的倒刺型透水丁坝提供工程依据。主要内容及研究成果如下:(1)先通过试验流速冲刷动床流场确定丁坝布设位置,然后采用PIV技术捕捉各工况流场,分析不同挑角倒刺型实体丁坝和透水丁坝对弯道定床流场的调节作用,试验结果表明,各工况丁坝均能有效调节弯道主流区偏离凹岸,但透水丁坝坝后回流区、紊动能及涡量范围均小于实体丁坝,且透水结构下的最低水位总高于实体结构,未出现两岸相逆的水位情况。(2)采用RNG k-ε双方程湍流模型及VOF自由液面捕捉法模拟了该模型定床流场,通过与试验结果对比验证了该数学模型的可靠性。分析了各工况不同横截面X方向的涡量变化,顺流流向,涡量由凹岸向凸岸移动并在左上角产生方向相反的涡。(3)在同等冲刷时间后,该设计参数下的丁坝均使泥沙运动改变,其中,实体组仅上挑丁坝流场无凹岸冲刷河道治理效果最优,透水组各挑角丁坝均无凹岸冲刷,但正挑和下挑丁坝坝后及坝跟处存在冲刷,实体组和透水组中上挑透水丁坝治理的河道最为理想,其不仅能更好的冲深河道,还能形成更多的冲深沟。(4)动床数值模拟中,透水丁坝均比实体丁坝产生的坝后紊乱和涡旋范围小,但冲沙效果却不减弱。总而言之,前者不仅能对流场产生小于后者的影响,而且能有效的冲刷场内泥沙,同时坝头附近的垂向速度、涡量、紊动能可精准预测泥沙冲刷的位置。(5)通过对无丁坝和上挑透水丁坝流场正涡旋强度与冲刷深度的数据拟合,得到正涡旋强度在凹岸与冲刷深度呈负相关,在凸岸与堆积高度同样呈负相关,两种流场均在弯道出口处正涡旋强度减弱。丁坝存在的流场涡旋强度大约是无丁坝流场的2倍,上挑透水丁坝弯道出口处的正涡旋强度减小幅度最大。
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