倒刺型丁坝弯道水流流动特性及泥沙输移影响研究

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弯道中的水流受重力和离心力作用,形成弯道螺旋流,造成凹岸冲刷、凸岸淤积,引起河道形态改变,甚至导致裁弯取直,不利于国家建设的长远规划。丁坝作为最广泛的河道治理建筑物,能够改善弯道流态,维护河相稳定。倒刺型丁坝是与上游有角度的一种半淹没丁坝,需要材料更少,国外已有少量使用,但对于它对弯道水流特性及泥沙输移的作用机制的认识还十分匮乏。本文以倒刺型丁坝为研究对象,采用水槽试验和三维数值模拟相结合的方法,研究了倒刺型丁坝对弯道水流及泥沙输移的作用及影响,分析了弯道沿程水位、流速、涡量、水流结构、冲淤特征等的变化,得到了涡旋强度与泥沙沖淤的关系。主要内容和研究成果如下:(1)利用定床水槽沿程水位测量结果及数值结果分析液面变化特征。顺流向,设置倒刺型丁坝和矩形丁坝的弯道液面变化都存在坝前壅高、坝后回落、出弯波动三个阶段;横向上,倒刺型丁坝弯道液面始终维持小于无丁坝条件的横比降,坝后存在下切较轻的V形液面。(2)采用粒子图像测速技术测量结果及数值模拟结果分析不同丁坝条件弯道水流流动特性。倒刺型丁坝能增强坝后水流的横向掺混,有效约束主流靠近凹岸。(3)基于弯道内流速、涡量及泥沙冲淤变化,分析二次流与及其对泥沙输移的影响。倒刺型丁坝引发的二次流,能抵消弯道螺旋流,在丁坝下游过流面中部区域造成冲刷。(4)采用涡旋强度分析泥沙冲淤变化规律:床面层上,以冲淤平衡线为界,向凸岸侧,涡旋强度与泥沙淤高成呈负相关;向凹岸侧,涡旋强度和泥沙冲、与均呈正相关。倒刺型丁坝弯道两侧的涡旋强度小于无丁坝条件的0.5倍,促使泥沙两侧淤积,利于维护河道稳定。
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