淹没箱式丁坝在上游横向交界面变化下的水沙特性研究

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随着近年来河道治理中对生态环境问题的重视,丁坝逐渐开始用于改善河道局部物理生境条件,以修复河道生态。箱式丁坝是视双丁坝及其包围的内部区域为整体的一个单元体,在传统箱式丁坝的上游丁坝(即上游横向交界面)设置缺口后,可在箱体内创造出更丰富的水流结构和底床形态,从而改善局部物理生境条件,具有潜在的研究价值。而处于淹没状态下,丁坝其周边水流结构、局部地形变化的复杂性,更有利于多样性生境条件的创造。本文以淹没状态下的缺口箱式丁坝作为研究对象,以淹没度和缺口参数(缺占比、缺偏比、阻水率)作为研究变量,通过定床及动床试验方法,探讨缺口箱式丁坝在淹没状态下的水力特性及局部冲淤特性,并通过数值模拟研究方法研究其在实际河流中的工程应用,得出如下几点主要结论:(1)淹没缺口箱式丁坝的水流结构具有较强的三维特性,坝头和坝顶同时存在水流分离现象。水流在越过坝顶后发生下潜并产生曳行涡,导致坝顶以下约h/3内的水平面会出现涡量、紊动强度的突增现象,水流在下游丁坝前越过坝顶或再次下潜。水流经过缺口时向主流偏转的角度和坝头挑流角度均会随着水平面的升高而减小,涡流区尺度会随之减小,而回溯环流尺度随之增大。(2)淹没度增大时会降低坝头和坝顶的水流分离程度,导致坝头和缺口处的流速逐渐减小,箱式丁坝附近的冲淤量也逐渐减小,不利于营造丰富的河床形态。淹没度为1.2时,箱内的平均流速最大,有利于箱体与外界的物质交换。(3)当缺占比增大时,缺口处的流速和冲淤量先增大后减小。当缺偏比等于1.1时,坝轴线断面的流速最大,缺口处漩涡的涡量值因尺度受到压缩而增大,冲淤量变化最大。所以当缺占比设置为0.35、缺偏比设置为1.1时,河床形态变化更丰富。在缺口处增加阻水率小于0.3的底坎会增大冲淤量,对于创造丰富的地形是有利的。(4)上游丁坝的缺口促进淹没箱式丁坝局部地形和水流结构变化,有助于改善局部物理生境条件。基于改善生境条件,选定较优工况应用到长汀县凃坊河赖坊河段。在上游丁坝设置缺口后,箱体内具有适合生物进食和繁衍的流速梯度区,也具有适合栖息的静态区,地形变化也更加丰富,箱内满足水力生境条件最低标准的区域面积增加,对局部物理生境条件有较好的改善作用。
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