丁壩群對(duì)彎道水流影響

施政

摘 要：采用MIKE21模型對(duì)彎道有無(wú)丁壩群兩種工況下的水流特性進(jìn)行數(shù)值模擬試驗(yàn)，分析丁壩群建設(shè)前后彎道水流水面橫比降、橫向環(huán)流、流速重分布等特性，進(jìn)一步證實(shí)彎道的護(hù)岸機(jī)理，為相關(guān)的工程實(shí)踐提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：MIKE 21；丁壩群；彎道水流

中圖分類號(hào)：U656.35+2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006—7973（2016）08-0049-01

彎道水流是渠道和河道中常見的一種水流運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象。自1870年Thompson通過(guò)試驗(yàn)首次發(fā)現(xiàn)了彎道螺旋流之后，彎道水流一直受到研究人員的關(guān)注。無(wú)論是國(guó)內(nèi)還是國(guó)外，都對(duì)彎道水流的動(dòng)力特性有一些共性的認(rèn)識(shí)，主要集中在水面橫比降、橫向環(huán)流、流速重分布等方面。在一定范圍內(nèi)，彎道產(chǎn)生的復(fù)雜流結(jié)構(gòu)及流態(tài)會(huì)影響河岸穩(wěn)定，因此需要在彎道險(xiǎn)段布置護(hù)岸工程。丁壩是一種傳統(tǒng)的護(hù)岸方式，國(guó)內(nèi)外應(yīng)用的比較廣泛，相應(yīng)研究丁壩周圍水流結(jié)構(gòu)的也很多，彎道水流運(yùn)動(dòng)所涉及的物理量往往很多，邊界條件復(fù)雜多變，很難利用現(xiàn)有的計(jì)算公式直接得到準(zhǔn)確的數(shù)值解，大多數(shù)的研究都是在現(xiàn)有理論指導(dǎo)下，以實(shí)測(cè)資料為基礎(chǔ)，建立物理或數(shù)值模型，進(jìn)行模型試驗(yàn)，但由于測(cè)量技術(shù)的限制，對(duì)丁壩周圍水流流態(tài)的研究還沒(méi)有趨于完整的理論。

1 研究方法

針對(duì)彎道水流特性，在傳統(tǒng)丁壩群護(hù)岸的基礎(chǔ)上，采用丹麥DHI公司的MIKE軟件進(jìn)行二維數(shù)學(xué)模型試驗(yàn)，研究彎道修建丁壩護(hù)岸群前后彎道水流流態(tài)的變化。計(jì)算采用MIKE21 FM軟件中的HD模塊建立模型，該模塊采用垂向平均二維淺水方程，離散方法為有限差分法，計(jì)算方法采用ADI（Alternating Direction Implicit）和DS（Double Sweep）格式，其基本方程如下：

2 研究區(qū)域概況

本次模擬的彎道典型采用遼寧省蘇子河上游羊祭臺(tái)段彎道，平面地形采用1：1萬(wàn)地形圖，水下地形采用采用實(shí)測(cè)河道大橫斷測(cè)量成果。

在彎道凹岸迎流頂沖段設(shè)計(jì)丁壩9座，規(guī)格統(tǒng)一為長(zhǎng)20m，寬4m，壩間間距50m的非淹沒(méi)式下挑丁壩，壩軸線與水流方向成60度角。

模型計(jì)算進(jìn)口條件為流量資料，采用2500.00m3/s；出口條件為水位資料，采用253.00m。

3 計(jì)算結(jié)果分析

通過(guò)模擬計(jì)算，天然情況下水流流經(jīng)彎道作曲線運(yùn)動(dòng)，水面形態(tài)和水流結(jié)構(gòu)發(fā)生調(diào)整和變化，彎道凹岸水面升高，凸岸水面降低，形成水面橫比降，最大橫比降出現(xiàn)在彎頂附近。橫比降的形成造成了彎道凹岸水面縱比降及水面形態(tài)的變化，整個(gè)彎道水面呈現(xiàn)扭曲的水面形態(tài)，從而導(dǎo)致彎道水流結(jié)構(gòu)的調(diào)整和橫向環(huán)流的出現(xiàn)，彎道任一斷面出現(xiàn)不同方向的環(huán)流。橫向環(huán)流促使最大流速區(qū)由凸岸向凹岸轉(zhuǎn)移，彎道內(nèi)凹岸流速大于凸岸。

通過(guò)對(duì)丁壩群建設(shè)前后流場(chǎng)及水位高程的對(duì)比分析，修建丁壩群后，壩前橫向水面線呈馬鞍形，丁壩上游水位較高，縱向水面線呈下凹形曲線，距離丁壩較遠(yuǎn)的斷面水流比較平順，自由水面的縱向比降較小。橫向比降只出現(xiàn)在丁壩附近的水流區(qū)域，在距離丁壩較遠(yuǎn)的彎道出口斷面，橫向幾乎沒(méi)有比降存在。丁壩上游區(qū)域，凹岸的水位比凸岸水位略高，水流流過(guò)丁壩后，過(guò)水面積增大，水流一部分沿主流方向繼續(xù)向下游流動(dòng)，另一部分流向壩后區(qū)域，產(chǎn)生橫向流動(dòng)，形成回流區(qū)。彎道上游一定范圍內(nèi)水流流速減小，下游一定距離區(qū)域內(nèi)近凹岸一側(cè)流速減小，凸岸一側(cè)增大，繼續(xù)向下游發(fā)展這種影響逐漸消失。

由于丁壩群束窄水流，彎道內(nèi)最大流速增大，最大流速區(qū)明顯向主河槽偏移，凹岸流速明顯減小，并出現(xiàn)了負(fù)流速。受丁壩阻擋的水流，一部分直接繞壩頭而下，另一部分則沿上游壩面轉(zhuǎn)向，在壩的上下游均出現(xiàn)明顯的回流區(qū)，就整個(gè)彎道的流場(chǎng)而言，有一直保持前進(jìn)運(yùn)動(dòng)的主流區(qū)和具有閉合流線的回流區(qū)，且回流區(qū)內(nèi)有漩渦出現(xiàn)。在丁壩上游，主流收縮，水流偏向?qū)Π叮骼@過(guò)丁壩后，由于受慣性作用和丁壩群的束縛，主流寬度繼續(xù)收縮，流速增大而壓強(qiáng)減小，使得壩區(qū)水流流向主槽。

4 結(jié)論

丁壩群的存在使彎道凹岸水流由沿河岸下切轉(zhuǎn)為由水底向水面運(yùn)動(dòng)，大大削弱水流對(duì)凹岸的沖刷，有利于凹岸丁壩壩檔間泥沙等落淤，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的發(fā)展成型，通過(guò)栽種植物可以形成生物帶。同時(shí)對(duì)凸岸形成一定的沖刷，促進(jìn)河勢(shì)的健康發(fā)展，充分體現(xiàn)了丁壩的護(hù)岸機(jī)理。

參考文獻(xiàn)：

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