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连续弯道内水流运动的特点李琳琳;余锡平【摘要】利用数学模型,采用带旋流修正的紊流模型,同时借助VOF方法描述自由表面,对6个连续反向弯道中的水流运动特点进行了数值计算,分析了连续弯道中的主流线分布,不同来流情况下的纵向水面流速变化以及横向环流在连续弯道中的发展过程.结果表明,在连续弯道中,高流速区均出现在弯顶前凸岸一侧;连续弯道两个反向弯段的横向环流也是反向的,下一个弯段的环流发展受到上一个弯段环流明显的抑制作用;随着上游来流量的增大,弯道中最大纵向流速的位置由弯顶前凸岸处向弯顶下移,顶冲点下移,纵向流速沿弯道宽度方向的分布趋于均匀,水流"走直"的趋势明显.【期刊名称】《水运工程》【年(卷),期】2009(000)011【总页数】5页(P138-142)【关键词】水流运动;连续弯道;三维模型;数值方法【作者】李琳琳;余锡平【作者单位】水沙科学与水利水电工程国家重点实验室,清华大学水利水电工程系,北京,100084;水沙科学与水利水电工程国家重点实验室,清华大学水利水电工程系,北京,100084【正文语种】中文【中图分类】TV133.3+9弯曲型河流是冲积平原上最常见的河型之一，如我国长江流域的下荆江、海河流域的南运河、淮河流域的汝河和颖河下游，黄河流域的渭河下游，美国的Mississippi河、英国柴郡的Bollin河、匈牙利Tisza等等。
天然的弯曲型河道多由一系列的连续弯道组成，任一单独弯段的水流运动特性不仅仅与其自身的形态和河床边界组成有关，还同时受到上下游弯段的影响。
因此，对多个连续弯道内的水流特征进行研究十分必要。
弯道水流运动规律的研究对于河道航运、堤防保护等水运及水利工程的规划设计均具有重要的意义。
本文基于一个能够精确模拟弯道中水流形态的三维数值模型对连续弯道水流的特性进行计算和分析。
河道内水流的控制方程为不可压缩流体的连续方程和运动方程：式中：u为流速；p为压强；ρ为水的密度；v为水的运动黏性系数；vt为运动涡黏性系数；x代表空间坐标；t代表时间；下标i，j=1，2，3，遵守求和约定。
丁坝和顺坝的区别是什么
丁坝和顺坝河道上经常用到,丁坝就是和河床有一较大夹角,主要
导水流;顺坝基本是顺河床修筑,防止河水冲刷堤岸。那么丁坝和顺坝
的区别是什么呢？
丁坝一般由坝头、坝身和坝根三个部分组成。按照丁坝坝顶高
程与水位的关系，丁坝可分为淹没和非淹没式两种。用于航道枯水整
治的丁坝，经常处于水下，一般为淹没式。用于中水整治的丁坝，其
坝顶高程有的稍高出设计洪水位，或者略高于滩面，一般洪水情况下
不被淹没。
丁坝是广泛使用的河道整治和维护建筑物，其主要功能为保护
河岸不受来流直接冲蚀而产生掏刷破坏，同时它也在改善航道、维护
河相以及保护水生态多样化方面发挥着作用。它能够阻碍和削弱斜向
波和沿岸流对海岸的侵蚀作用，促进坝田淤积，形成新的海滩，达到
保护海岸的目的。按丁坝的作用和性质又分为控导型和治导型两种。
控导型丁坝坝身较长，一般坝顶不过水，其作用是使主流远离堤岸，
既防止坡岸冲刷又改变河道流势。治导型丁坝工程的主要作用是迎托
水流，消减水势，不使急流靠近河岸，从而护岸护滩、防止或减轻水
流对岸滩的冲刷丁坝修建后，局部地改变了河(海)流的流动形态，而
丁坝的原理
丁坝是指一种拦截水流实现防洪和灌溉目的的工程措施，也称为围河、堰、拦河堤等。
丁坝的原理可以从以下几个方面来解释。
首先，丁坝的原理包括了阻挡和引导水流。
通过在河道上设置一道固定的堤坝，可以有效地阻挡水流，使其不能顺利流过。
丁坝通常由土石、混凝土等材料构成，具有较高的耐水和抗压性能。
堤坝的高度和形状会影响水流的流动速度和流量。
通过调整丁坝的高度和形状，可以达到调节水流的目的。
其次，丁坝的原理包括了固定和稳定河床。
丁坝可以将水流引导到目标地点，如农田或人工水渠中，从而实现农田灌溉或其他用途的需求。
通过合理设计丁坝的位置和形状，可以使河床得到固定和稳定，防止水流冲刷和改变河道方向。
第三，丁坝还可以实现水资源的调节和分配。
在干旱地区，丁坝可以通过拦截和蓄积雨水，提供灌溉所需的水源。
在洪水时，丁坝可以起到调节洪峰流量、减少水流速度和缓解洪水灾害的作用。
通过灵活使用和管理丁坝，可以实现水资源的最优配置和合理利用。
此外，丁坝还可以用于防止咸水入侵和保护海岸线。
在某些地区，海水与淡水的交界处容易发生盐碱地，丁坝可以在河流和海洋之间建立一道屏障，阻止海水渗透到内陆，保护土壤和地下水的水质。
总之，丁坝的原理主要包括了阻挡和引导水流、固定和稳定河床、实现水资源的调节和分配，以及防止咸水入侵和保护海岸线等功能。
它是一种多功能的水利工程措施，通过科学设计和合理运用，能够有效地应对洪涝灾害、保障农田灌溉和维护生态环境等方面的需求。
编者按：一位网友提问“什么是丁坝，它起什么作用？”，今解答如下：在海边或河流边，我们有时会看到如下图那样的水工建筑，那就是“丁坝”。
因为它一端与河(海)岸相接，另一端伸到水域中，与堤岸构成“丁”字形，因此叫“丁坝”。
丁坝的主要功能为保护河岸不受来流直接冲蚀而产生掏刷破坏，同时它也在改善航道、维护河相以及保护水生态多样化方面发挥着作用。
它能够阻碍和削弱斜向波和沿岸流对海岸的侵蚀作用，促进坝田淤积，形成新的海滩，达到保护海岸的目的。
丁坝一般由坝头、坝身和坝根三个部分组成。
按照丁坝坝顶高程与水位的关系，丁坝可分为淹没和非淹没式两种。
用于航道枯水整治的丁坝，经常处于水下，一般为淹没式。
用于中水整治的丁坝，其坝顶高程有的稍高出设计洪水位，或者略高于滩面，一般洪水情况下不被淹没。
根据丁坝对水流的影响程度，又可分为长丁坝和短丁坝。
长丁坝有束窄河槽、改变主流线位置的功效；短丁坝则只起迎托主流、保护滩岸的作用。
一般来说，数百米甚至上千米的丁坝，多是用于航道的枯水整治，为淹没式丁坝。
对于航道的中水整治，则应尽量控制在100—200m，以免严重阻水，形成紊乱的水流结构，危及坝体安全或者引起对岸、坝下游岸线崩塌。
按照坝轴线与水流方向的夹角，可将丁坝分为上挑、正挑、下挑三种。
这三种丁坝对水流结构的影响很不一样。
对于淹没式丁坝以上挑式为好，因为水流漫过上挑丁坝后，可将泥沙带向河岸一侧，有利于坝档之间的落淤。
而下挑丁坝则与之相反，造成坝档间冲刷，河心淤积，且危及坝根安全。
对于非淹没丁坝，则以下挑为好，其水流较平顺，绕流所引起的冲刷较弱，相反上挑将造成坝头水流紊乱，局部冲刷十分强烈。
在河口感潮河段，以及有顶托倒灌的支流河口段，为适应水流的正逆方向交替特性，多修建成正挑形式。
按丁坝的作用和性质又分为控导型和治导型两种。
控导型丁坝坝身较长，一般坝顶不过水，其作用是使主流远离堤岸，既防止坡岸冲刷又改变河道流势。
治导型丁坝工程的主要作用是迎托水流，消减水势，不使急流靠近河岸，从而护岸护滩、防止或减轻水流对岸滩的冲刷丁坝修建后，局部地改变了河(海)流的流动形态，而坝体尾部旋涡的产生、分离和衰减会使水流呈现很强的三维紊动特性，相应流动结构变得十分复杂。
丁坝形状对弯道沿程水面线影响分析
常开志
【期刊名称】《水利科技与经济》
【年(卷),期】2024(30)3
【摘要】为了研究不同形状丁坝对弯道沿程水面线的影响,通过水槽试验,分析无丁坝、丁坝断面不同以及二级丁坝长度不同和多级丁坝级数改变时的沿程水面线变化。
结果表明:①未设置丁坝时,在弯道处的凹凸两岸,水位变化平缓;设置不同断面丁坝时,在弯道凹岸区域,水位先增大再减小,在弯道出口处趋于平稳。
②当二级丁坝第二级
长度减小时,在弯道凸岸区域,水位先减小增大,丁坝第二级长度增大,阻水作用随之增大;当丁坝级数从二级变为三级时,在弯道凹岸区域,水位先增大再减小,丁坝级数越多,水位越高。
③短板二级丁坝沿程水位变化最小,三级丁坝变化最大,阻水作用最强,不同形状的丁坝对水面线的影响均集中在水槽弯道处。
【总页数】5页(P97-101)
【作者】常开志
【作者单位】贵州省毕节市七星关区大河乡人民政府
【正文语种】中文
【中图分类】TV863
【相关文献】
1.丁坝对弯道水流影响的分析
2.一维数学模型计算河道水面线壅水影响的实例分析
3.回转体尾部形状对导管螺旋桨的水动力性能影响分析
4.连续弯道中河心洲可侵蚀层对水动力的影响分析
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潮汐双向流条件下丁坝水流特性研究
任云;张功瑾;路川藤
【期刊名称】《人民长江》
【年(卷),期】2017(048)006
【摘要】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rn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rn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rn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.
【总页数】6页(P33-37,46)
【作者】任云;张功瑾;路川藤
【作者单位】河海大学港口海岸与近海工程学院,江苏南京210098;中交上海航道局有限公司,上海200002;南京水利科学研究院,江苏南京 210029;南京水利科学研究院,江苏南京 210029
【正文语种】中文
【中图分类】TV863
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5.桩柱透水丁坝水流特性试验研究 [J], 周银军;刘焕芳;何春光;宗全利
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不同坝型丁坝坝体周围水流紊动特性试验研究
张可;王平义;喻涛
【期刊名称】《水运工程》
【年(卷),期】2012(000)007
【摘要】通过水槽试验,结合理论分析,研究丁坝附近水流紊动强度沿水流方向、水深方向和横向的分布规律.绘制5种不同坝体结构形式其周围水流脉动动能和紊动强度的分布等值线图并分析分布规律,进一步探讨不同坝体挑角对丁坝附近水流紊动强度和脉动动能的影响.
【总页数】7页(P1-7)
【作者】张可;王平义;喻涛
【作者单位】重庆交通大学河海学院,重庆 400074;重庆交通大学河海学院,重庆400074;重庆交通大学河海学院,重庆 400074
【正文语种】中文
【中图分类】TV142
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丁坝论述1 丁坝的分类丁坝的平面布置形式主要指丁坝的长度、方位角及裆距等。
对于丁坝的长度，有人认为当丁坝在垂直于水流方向的投影长度与稳定河宽之比小于0．33时，为短丁坝，否则为长丁坝。
长丁坝虽挑流能力强，但由于伸人河道主槽较多，对水流的影响大，坝前局部冲刷剧烈，易出险且出险后难抢护，因此目前已较少采用。
而短丁坝对水流的影响小，挑流能力强，坝前冲刷轻，产生的回流弱，但其导流能力弱。
特别短的丁坝称为矶头、垛、盘头等。
长江下游坝长一般为10～150 m，坝的间距不超过坝长的10倍，多为5～6倍。
黄河下游丁坝长多为100～130 m，常用于低滩控导工程。
按照丁坝坝顶高程与水位的关系，丁坝可分为淹没式和非淹没式两种。
用于航道枯水整治的丁坝，经常处于水下，为淹没式丁坝；用于中水整治的丁坝，其坝顶高程有的稍低于堤顶，高出设计洪水位，或者略高于滩面，一般不被淹没，这类丁坝为非淹没式丁坝。
以丁坝与水流方向的夹角来区分，丁坝还可分为上挑、下挑、正挑3种。
国内外常采用的坝轴线与水流线的夹角为：上挑丁坝，110。
～120。
；下挑丁坝，70。
～60。
，甚至更小，黄河上一般为30。
～45。
；正挑丁坝，90。
夹角的不同，对水流结构的影响也不同。
研究认为，下挑丁坝有利于控导水流，对水流流态改变较小，坝头冲刷坑相对也较小，对坝体稳定有利；正挑或上挑的丁坝有利于促使泥沙在坝裆(坝田)之间快速落淤，掩护河岸或海塘工程不直接遭受水流冲刷，同时有利于集中水流，壅高水位。
2 丁坝平面布置形式由以上分析可知，不同布置形式的丁坝对河流所起的效用是不同的。
河流特性与整治目的不同，丁坝布置形式也不同，为此，将其总结为以下几种情况。
2．1 以稳定河势为目的的丁坝布置形式对游荡型河段来说，限制游荡摆动、稳定河势是河道整治的首要任务，可在河道内布置丁坝，利用丁坝调整水流、保护河岸的性能来控制主溜。
以稳定河势为整治目的的河道整治，一般把中水流路作为整治流路，该中水流路是经过河势演变分析，优选出的一条与洪水、枯水流路相近的流路。
弯曲河道水力特性对枢纽运行的影响及改善措施的试验研究王珍;邱静;王丽雯;刘达【摘要】枢纽从凸岸到凹岸依次布置电站、泄水闸、船闸.由于弯道环流的影响,水闸泄流能力不足,壅水超高;电站进水口前有较大范围回流,泥沙淤积问题突出;船闸口门区岸坡流速较大,威胁通航安全.对此展开物理模型试验研究,通过改变凸岸岸线、设置拦漂桥、凹岸护坡等工程措施改变枢纽处水流的水力特性,使水闸泄流能力提高到规范要求,降低壅水,电站引水防沙及通航安全得到保障.以上工程措施对其他弯道上的枢纽工程同样具有借鉴意义.【期刊名称】《广东水利电力职业技术学院学报》【年(卷),期】2010(008)002【总页数】5页(P1-5)【关键词】弯道水流;水力特性;试验研究;水闸泄流能力;电站引水防沙;船闸通航【作者】王珍;邱静;王丽雯;刘达【作者单位】广东省水利水电科学研究院,广东,广州,510610;广东省水利水电科学研究院,广东,广州,510610;广东省水利水电科学研究院,广东,广州,510610;广东省水利水电科学研究院,广东,广州,510610【正文语种】中文【中图分类】TV732弯曲河道的弯顶稍下位置作为枢纽的坝址，受弯道环流的影响具有其“先天不足”：一方面在弯道环流的作用下，水面是凹岸高凸岸低，整个水面为一个扭曲面[1][2][3][4]，弯道凹岸由于离心力作用，其相应点受到的水压力大于静水压力，并与流速的平方成正比[2][3][4][5]；另一方面环流使得含沙量高的水体和较粗的泥沙集中靠近凸岸，并在凸岸沉积下来。
而凹岸的水相对较清，一般表现为清水冲刷。
在弯道凹岸冲刷的泥沙，其中以弯顶稍下游冲刷最甚，这部分泥沙由底层水体带向弯道凸岸，并在凸岸淤积，形成浅滩[3][4][6][7][8]。
枢纽从凸岸到凹岸依次布置电站、泄水闸、船闸，根据以往经验，本枢纽的电站、水闸、船闸运行安全可能受到威胁。
因此，本文展开试验，通过模拟弯道水流，研究其对枢纽运行的影响，并提出相应工程改善措施。
航道整治河段流动特性的三维数值模拟分析作者：***来源：《中国水运》2021年第07期摘要：在应用于航道整治活动中的各种建筑物里，丁坝属于非常常见的一类。
丁坝的结构有利于约束和引导外来的水流，将水源约束在丁坝的河道里，而且能够保护岸堤，减轻水源对环境的破坏程度。
另外，丁坝的坝体附近存在很多比较复杂的水流现象，因此探究航道整治河段的水流特性是很有必要的，也能够为与航道整治相关的建筑物的构造设计提供思路。
本文以丁坝为主要研究对象，首先分析了丁坝近场可能存在的不同水流现象，并概述三维数值分析所需要应用的相关计算模型，然后通过建立模型同时结合实例验证模型最后对计算结果进行分析，探究坝体计算区域的水流特性。
关键词：数值模拟;丁坝;流动特性;航道整治中图分类号：U617 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2021）07-0106-041引言在航道整治活动中，丁坝建筑物的应用是各种建筑物中比较普遍的一种。
丁坝能够起到很好的束水归槽的作用，不仅能够减少堤岸损毁情况的发生，还可以有效地保证整治河段区域形态的稳定性。
丁坝按照坝体的平面设计结构来划分，可以被分为很多类别，比如“丁”字型、直线以及曲线型等等。
除了按照平面形状来划分，丁坝还可以按照构筑材料、水位高度以及坝体轴线与水体流向的关系等划分为很多类型。
构建丁坝容易导致丁坝附近的各个水源线路汇集，进而会影响并改变其近场水流流动的结构，最终结果是造成泥沙的淤积问题。
构建丁坝会改变水流的压力以及流速场，是水流的流动表现出明显的三维特征，丁坝坝体的头部和尾部形成不同的水流現象，这是水流的紊流。
2数值计算模型2.1控制方程式（1）为水流的连续方程，式（2）-（4）为N-S方程，其中ui是平均速度，Ai和VF分别为流体的面积以及体积分数，Gi和fi分别是体积力和黏性力，压力是P，应变力张量和总动力黏性分别是Si、μtot、τij、τw，I分别为流体以及壁面剪应力。
长江上游航道整治建筑物类型及特征分析摘要：长江上游地区的经济发展离不开近年来对航道的治理，通航条件的提高得以满足货运量的增长需求，在治理中，航道整治建筑物发挥了不可或缺的作用，因此全面高效了解整治建筑物的类型和特征，尽可能全面详实地掌握其作用机理和实际情况有利于我们保障航道整治建筑物稳定运行。
本文正是基于这样的行业大背景，通过相关资料总结长江上游重要的整治建筑物——丁坝的基本情况，包括丁坝长度、宽度、所处位置、挑角等，分析现状并进行统计分析。
关键词：丁坝；整治建筑物；长江上游；特征分析1.长江上游航道概况长江上游干流航道上起四川宜宾，下至湖北宜昌，全长达1045km，在该区域航道的集水面积有约53万平方千米。
长江上游航道连接了川、黔、渝地区的水上之路，成为了至关重要的水上运输大动脉。
它也也是一条黄金水道，沟通了中国西南与东部的，并对西南地区的经济社会发展起到了重要影响，“一带一路”倡议和长江经济带战略的实施也与其密不可分[1-3]。
长江上游航道在低水位的情况下，水面宽350～450米，平均水深4～7米；洪水时水面宽15～20米，比降约为0.27%。
长江上游航道两岸地势陡峭，峡谷多，岸形极不规则，河道弯，宽窄不定，岸线凹凸不平，河底起伏大，航道条件复杂多变给航运带来了不利条件[4]。
但经过多年系统治理，上游航道的通航能力正在逐步提高，截至2019年，长江上游航道分河段水深已达2.9米至4.5米。
较之50年代初期，长江航道水深，上游航道分河段提高了1.6米至2.4米。
“十二五”期长江航道发展态势良好，规划建设目标实现，长江干线航道已全部达三级或三级以上航道标准，5000多座浮标旧貌换新颜，完成杆标更新改造近200座，航标维护正常率达99.9%。
然而，受坡陡流急和水沙动力急剧变化的影响，整治建筑物及航道设施受损严重。
1.长江上游航道整治建筑物类型2.1航道整治建筑物基本类型及作用据统计，长江上游已建坝体整治建筑物主要有丁坝、顺坝、锁坝和潜坝等类型，其中已建整治建筑物中含丁坝（丁顺坝）共46座，顺坝（导流坝、碛头和碛尾坝）共23座，潜坝（丁潜坝）共17座，锁坝（堵坝和拦石坝）共4座，共建成坝体航道整治建筑物90座[5]。
基于 CFD的不同挑角丁坝对水流特性影响的数值模拟分析摘要：丁坝挑角的不同，对水流特性及河床冲淤影响较大。
本文基于CFD数值模拟方法，采用RNG 湍流模型和VOF自由水面模型，对正挑、上挑和下挑丁坝周围的流场进行了三维数值模拟。
模拟结果表明，不同挑角速度分布规律、沿程水位变化规律及回流区形态基本一致。
主流最大流速随着挑角的减小呈先增大后减小的趋势，在正挑作用时主流最大流速达到最大。
近丁坝侧水位在坝前上涨坝后回落，且坝后近丁坝侧水位低于背丁坝侧水位。
正挑作用时回流区面积最大。
关键词：丁坝挑角、水流特性、回流区1 引言我国河流湖泊众多，但近年来洪涝灾害频发，对人民生产生活及经济发展带来巨大的损失。
通常，在河道内布设单一型堰、J型堰、交叉堰、W型堰、导流屏、丁坝、楔型丁坝等水工建筑物达到束水增深、防冲减淤的效果，其中，丁坝具有施工简单、造价低廉的优势，在河道整治工程中被广泛应用。
20世纪以来，众多学者对丁坝的挑角、坝长、丁坝群数量等因素对水流的影响展开了研究。
何春光[1]通过室内水槽试验，分析不同挑角的透水丁坝对河床冲淤影响，试验结果表明下挑时，坝后流速随挑角的增大而增大。
陆晶等[2]通过水槽试验，分析了淹没丁坝在45°、90°、135°三种挑角条件下的河床冲淤特性。
吴伊平等[3]基于CFD方法，模拟分析宽浅河道中丁坝上挑60°、正挑、下挑120°及不同丁坝投影长度对回流区流动特性的影响。
胡志毅[4]基于Fluent软件，模拟60°、90°及120°丁坝周围流场，在相同挑角下，丁坝附近流速随水深增大而减小，不同挑角下速度分布规律相同，正挑的最大流速大于上挑和下挑。
本文基于CFD数值模拟方法，采用RNG 湍流模型和VOF自由水面模型，对上挑135°、正挑90°、下挑45°丁坝周围的流场进行模拟，分析不同挑角下对流速、水位、流态、回流区的影响。
透水丁坝对不同曲率弯道内三维水流结构影响数值模拟研究谢鹏;李春光;吕岁菊;景何仿;张凤逐【期刊名称】《中国农村水利水电》【年(卷),期】2024()5【摘要】透水丁坝相较于传统丁坝,具有更加卓越的稳定性,安全性,可靠性,因此在绿色航道推广中得到重视,研究的目的在于对比不同曲率河道内三维水流结构变化,进而为不同曲率河道治理提供依据。
研究采用数值模拟与实测相结合的方式,对3种湍流模型进行比选和验证,Standard k-ε,RNG k-ε,Realizable k-ε三种湍流模型内岸模拟流速和实测流速相关性系数均低于外岸,RNG k-ε湍流模型实测流速和模拟流速相关性系数最高,最终采用RNG k-ε模型对90°和180°弯道模拟,并对三维流线,流速,床面剪切,水面线分析。
结果显示丁坝下游回流区涡轴线受垂向和径向速度梯度影响出现不同程度倾斜,水流撞击2号丁坝在丁坝之间产生两个相反方向的涡,这将对透水丁坝群结构稳定形成威胁但同时也会防止大量泥沙在透水丁坝之间淤积,保证透水丁坝在使用过程中不至于丧失透水性。
河道曲率增大导致强剪切层向内岸迁移,180°弯道内出现两个强剪切层,这将导致河床向阶梯型演化,对于曲率大而且狭窄的山区河道在布置透水丁坝后要对内岸侵蚀效果评估,防止强剪切层迁移对内岸构成威胁。
水面线呈现内低外高的现象,且在x/L=0.48~0.5的范围里内外岸水面线差值最小,水面出现凹陷。
【总页数】10页(P31-40)【作者】谢鹏;李春光;吕岁菊;景何仿;张凤逐【作者单位】宁夏大学土木与水利工程学院;北方民族大学数学与信息科学学院;北方民族大学土木工程学院【正文语种】中文【中图分类】TV854【相关文献】1.弯曲度对弯道水流结构影响的三维数值模拟研究2.不同坡降影响下弯道式引水渠首水流三维数值模拟研究3.布设丁坝对60°弯道水流特性影响的数值模拟研究4.多级丁坝影响下弯道水流运动三维数值模拟研究5.U型弯道内L型丁坝群对不同水位水流水力特性影响试验研究因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
1 90度弯道中丁坝附近的冲刷和水流场 摘要：丁坝是河道整治中一个重要的部分，它能使流场、泥沙运输、河床地形产生迅速的变化。弯曲河道中的水流机制和泥沙运动是很复杂的，尤其是当在弯道设丁坝时会更加复杂。大多数关于丁坝周围的水流特性和冲刷的研究都是在顺直河道中进行的。这篇文章展示了在90度弯曲河道中丁坝周围的流场和冲刷的实验结果。河床是由粒径统一的泥沙构成的，实验对在不同流量下弯道中的丁坝在不同位置和不同长度的情况进行了研究。研究了丁坝附近的三维流场，结果表明最大冲刷深度与弗劳德数、丁坝在弯道的位置和丁坝的长度有关。
关键词：丁坝 冲刷 90度弯道 河床变形 动床 流动形态 1 引言 不同的研究者对弯道的冲刷进行了广泛的研究。Rozovskii研究了动床弯道的水流特性和边界剪切力分布。关于弯道冲刷的一项早期研究的是Shukry在一个矩形槽中的90度和180度弯道中进行了水深和宽度比值、水流宽度值和弯道的半径都不同的实验。Yen在弯道中进行了一个实验来研究平衡河床结构和水流特性。最近Ghodsian and Mousavi把 弯曲河道的最大冲刷深度和密度弗劳德数、相对弯曲半径和相应的水深联系在了一起。
Ikeda (1975), Zimmerman and Kennedy(1978), Odgard (1981 and 1984), Komura (1986) and Blanckaert (2002)等，这些人对弯道中横向河床坡度的变化进行了研究。
丁坝的建立可以改变水流的方向，使水流从岸边向河中扩宽，还经常被用来增加水深、保护河岸和防洪计划。弯曲河道的凹岸经常被冲刷。因此河道会发生横向移动。在弯曲河道中丁坝很可能用来控制河岸冲刷和横向移动。在设计丁坝时一个重要的考虑就是预测水流产生的河床冲刷深度。冲刷深度的评估吸引了大量研究者的兴趣，目前已经有很多不同的预测方法。但大部分的研究人员都集中于顺直河道中丁坝的冲刷，比如Ahmad (1951; 1953), Garde et al. (1961), Gill (1972), Richardson et al. (1975), Rajaratnam and Nwachukwu (1983a), Lim and Tong (1991), Shields et al. (1995), Kuhnel et al. (1999) and Kothyari and Ranga Raju (2001).当把丁坝布置在弯曲河道的凹岸冲刷过程就会变得很复杂。 2
文献综述表明尽管弯曲河道中的丁坝很重要但还是只有很少的注意力放在研究这种类型的丁坝冲刷上。根据作者的知识，关于弯曲河道丁坝附近的冲刷可用的研究还是那些Ahmed (1953), Mesbahi (1992), Przedwojski et al.(1995), Soliman et al. (1997), Ghodsian and Mosavi (2004), Giri and Shimizu (2004) and Giri et al等人的研究。有趣的是目前还没有能够用来预测弯曲河道丁坝附近的冲刷尺度的方法 。更有甚者，弯曲河道中丁坝附近的影响至今还没有被考虑。很显然关于弯曲河道中丁坝附近的冲刷和水流特性的知识很缺乏。确信的是关于丁坝附近的冲刷现象的更好的理解还依赖于水流特性的学习。但至今关于水流特性的大部分研究都是在定床顺直河道中进行的。例如，Rajaratnam 和Nwachukwu 研究了丁坝附近的水流特性，Barbhuiya 和Dey (2003) 研究了顺直河道中支座附近的冲刷坑的水流场。这篇文章展现了在清水和稳流条件下的90度弯曲河道中不同断面的丁坝附近的河床冲刷和三维水流特性的实验结果。
2 尺寸分析 弯道中丁坝附近的冲刷尺寸取决于河道的几何尺寸（河道宽度，河道半径和河床坡度），丁坝的特性（长度，形状，与河岸的角度，弯道中的位置），水流条件（水深，流速），泥沙的性质（比重，粒径，摩擦角）和流体的参数（密度和粘性）。因此最大冲刷深度maxzd可以写成下式
max0050(,,,,,,,,,,,,,,)zsdfBRSLShUhdg （1） 式中： B—河道宽度； R—弯曲半径； 0S—河床宽度； L—丁坝长度； Sh—丁坝形状； —丁坝与河岸的角度； —丁坝在弯道中的位置；
0h—水流深度； U—水流速度； s—泥沙的密度； 50d—中值粒径；
—泥沙的摩擦角； —液体的密度； —液体的粘性系数； g—重
力加速度；
使用无量纲分析， （1）可以写成： max0500(,,,,,Re,/,/,/,/,/,)zs
dfFrSLBRBLdRLShh （2） 3
式中Fr表示弗劳德数，Re表示雷诺数。上面的方程经过简化和消去常数参数。可以写成：
max0(,,)zdFrBh （3）
3 实验 实验是在Tarbiat Modares大学的水利实验室进行的。主河道包含7.1m长的上游和5.2m长的下游。90度的弯道是在两个直道之间。河道的断面是0.6m宽，0.7m长的矩形，中心线的弯曲半径是2.5m。河床和边界是用玻璃做成，金属框架来支撑的。流量的测量是用设置在供应管道上的校准孔来实现的。水深和河床纵剖面是用精度为0.01mm的数字测量计测量的，水流速度用测速仪测量的，在主河道的末端安装一个水闸来控制水深。用中值粒径50d=1.28mm和标准差
8416/1.3dd的均匀沙铺满整个水槽，厚度为0.35m。这里8416dd和分别表示大于该粒径的泥沙在全部河床泥沙中所占百分数为84%和16%的泥沙粒径。丁坝是由1cm厚的树脂玻璃做成的。三个不同长度的丁坝用来研究冲刷：它们分别是 6cm、9cm和12cm，把它们固定在水槽边上。丁坝从30度的位置开始沿着河床每间隔15度布置一个（即在30度，45度，60度和75度的部分）。如图1实验流量分别为17、25、32和40 /ls.实验的持续时间保持在25小时，这时平衡条件可以发生。冲刷实验是在顺直河道的起动条件下完成的 。例如0.9/1cUU（U表示泥沙运动的行近流速，cU表示泥沙运动的临界速度）。9cm的丁坝附近的水流速度用在8个水平层不同径向部分的三维测速仪测量。每一个点上的速度是用50Hz的采样率大于一分钟来衡量的，再取平均值计算。测量断面是在每1.25度到10度中任意选取。冲刷坑附近流速的测量是在特殊树脂做成的河床冻结以后实验结束时开始测量的。流态的显示是通过注入高锰酸钾，借助于薄丝带，然后拍下和录下运动的痕迹。最初河床的表面是用依附在运输上的盘子压的平坦的。接着内侧阀门被慢慢打开，流量增加到预定值，使顺直的水槽中没有发生冲刷。实验的最后，河床地形的测量是在坝突出部分附近的22.5cm的网格和其他断面212cm的网格上测量的。 4
图1 90度水槽的示意图 表1 研究的参数范围
4 结果 4.1 流场 4.1.1 没有丁坝时弯道的流场 实验测量了几组没有丁坝时刚性河床的流速值。图2 展示了离河床距离为1cm，流量Q=25/ls，弗劳德数Fr=0.345时纵向流速特性。在图中x和y分别表示横坐标和纵坐标。从图中很容易看出在弯道的开端，最大局部流速的位置靠近凸岸，弯道顶点的最大流速位置在弯道中心线附近，弯道末端的最大局部流速在凹岸。这和Rozovski 得到的90度弯道的实验结果一致。
4.1.2 丁坝在不同位置时弯道的流场 有丁坝的弯道流场如预期一样很复杂。如主涡流，分离流和旋转流。在不同的位置表现出不同的特性，但也有一些差别。图3展示了丁坝在30度和75度时的流线，图3a展示了丁坝在30度断面时，在靠近主流时水面处的分离线 5
的宽度是减少的。图3b表示的是丁坝在75度位置时的反向流。图3c和3d表示的是丁坝在水面下6cm时附近的流线。图3c表明丁坝在30度断面时丁坝下游的流线是偏向凸岸的。丁坝在75度断面时丁坝下游的流线特征是不同的（图3d）。
图 2 距离河床1cm时的流动特性
图3e和3f展示了淹没深度为14cm时丁坝的流线形态。图中可以清楚的看出丁坝附近的旋涡流和偏转流。观测到弯道凹岸的流速随着离弯道初端距离的增加而增加。而且丁坝的位置也会影响分离区的范围。丁坝在75度断面时分离区的长度比丁坝在30度断面时长。丁坝下游的水流特征也是很复杂的。在丁坝区域的水流是由垂直上升旋涡流，水平旋涡流和反向流的混合组成的。
沿着水深流线的两个纵向流线：一个是在丁坝的中间，另一个是在距离丁坝端部2cm的地方，如图4所示。图中可以看到向下流动的水流和垂直上升的漩涡流是在分离区里面。在分离区的外面只能看到向下流动的水流（图4c和4d）。
丁坝下游靠近凹岸的垂直上升旋涡流引起径向的阻挡流，这个水流把附近的水流驱向下游。很明显这个阻挡流影响着附近水流的流速和方向。正如图3a和3b所示，丁坝在75度断面时阻挡流区域的范围比丁坝在30度断面时大。这6
种现象在其他断面也可以看出。阻挡流区域的范围随着丁坝离弯道初端距离的增加而增加。图5表示了距离30度断面和75度断面的丁坝上游和下游距离为2L时的横向流线。图中可以明显的看出这个横截面上有凸岸的向上流动的水流和凹岸向下流动的水流。图中还能看出75度断面处丁坝下游凹岸附近的垂直上升旋涡流比在30断面处大（图5a和5b）。就像之前提到的，垂直上升旋涡流引起丁坝下游水流的排斥。在丁坝上游的所有垂直横截面中，凹岸附近形成了上升旋涡流（图5d）。在一些实验中这个上升旋涡流引起丁坝上游水流的退化和下游水流的延伸。
