π型河道平面整治的水动力学研究

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天然河道中普遍存在河床冲刷与河岸崩塌,局部地区存在河道淤积,三者均是河道变形的具体表现形式。河道演变问题严重影响河道行洪与景观,须采取相应措施整治弯曲河道,主要涉及:治导、清淤疏浚以及护岸堤防等工程。鉴于π型河道(平面近似于“π”字的弯曲河道)作为一种形态蜿蜒,河床演变与水流流态极其复杂的河道,无疑提高了河道治理的难度。本文使用水动力学模型进行数值模拟,研究π型河道的水动力学特性,主要的研究内容及相关成果如下:(1)以π型弯曲河道作为研究对象,采用水动力学模型计算π型河道的流速和水位,研究平面转角θ和转弯半径R对流速的影响。结果表明:平面转角增大时最大流速增大,平面转角与流速大小呈现正相关关系,而转弯半径与最大流速的相关性还受平面转角大小的影响;最大流速位置基本随着平面转角和转弯半径的增大而呈现往凹岸中点下游或弯道出口移动的趋势;两弯之间直河段中间处的平均流速随着平面转角、转弯半径的增大,呈现先增大后减小的关系。(2)计算不同工况下π型河道的平均单位和最大河长能耗,研究不同的平面转角θ和转弯半径R对河道能耗的影响。结果表明:平面转角是影响河道耗率的主要因子,平面转角与平均能耗率和最大能耗率呈现正相关趋势;转弯半径对能耗率的影响受到平面转角的共同作用,随着转弯半径增大,河道最大能耗率则先减少后增加,中等大小的转弯半径时河道最大能耗率相对较小。(3)利用π型河道最大流速、能耗率等水动力要素与平面转角、转弯半径的关系进行实际工程河道整治平面设计,并用二维数学模型验证。结果表明:对大角度河弯尽量通过岸线布置调整流向,减小转弯角度,并将转弯半径也调整至中等大小(7~12倍主河槽宽度);对大角度弯道凹岸下游对岸迎溜顶冲的小角度弯道,将堤岸线设置较大的转弯半径,使得弯道水流流速和能耗率相对较小,改善水流条件,减轻水流的冲刷,同时在凹岸顶冲部位布置防冲建筑物,以保证岸坡稳定。
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