弯道丁坝水流特性.docx

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弯道丁坝水流特性

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GhodsianandMousavi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）,ZimmermanandKennedy（1978）,Odgard（1981and1984）,Komura（1986）andBlanckaert（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）,Gardeetal.（1961）,Gill（1972）,Richardsonetal.（1975）,RajaratnamandNwachukwu（1983a）,LimandTong（1991）,Shieldsetal.（1995）,Kuhneletal.（1999）andKothyariandRangaRaju（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。

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）,Przedwojskietal.（1995）,Solimanetal.（1997）,GhodsianandMosavi（2004）,GiriandShimizu（2004）andGirietal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dz可以写成下式

max

dz_二f（B,R,S,L,Sh:

U,h。

%,d50,，―,g）

（1）

式中：

B—河道宽度；R—弯曲半径；S0—河床宽度；L—丁坝长度；

Sh—丁坝形状；：

•一丁坝与河岸的角度；丁坝在弯道中的位置；

h。

一水流深度；U—水流速度；%—泥沙的密度；d50—中值粒径；

'—泥沙的摩擦角；T—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：

字=f（Fr,芥,S0,,Re,L/B,R/B,L/d^,%/;?

R/L,Sh）

（2）

h0

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：

Zmax

ho

=（Frj,B）

（3）

3实验

实验是在TarbiatModares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d50=1.28mm和标准差

二d84/d!

6=1.3的均匀沙铺满整个水槽，厚度为0.35m。

这里d84和血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40l/s.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:

U/Uc:

：

1（U表示泥沙运动的行近流速，Uc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。

表1研究的参数范围

Q（阳町

Fr

HR

9

17-4U

02-U15-G.L

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=25l/s，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

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）。

HIM

和1M

-2000-100001000

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

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。

SccTion3（F

图3在Q=25l/S，丁坝在

30度和75度断面时的横向水流特性

（a）和（b）水面下0.5cm（6和（d）6cm（6）和（f）14cm

Section30:

SpurMeIccMtonYX

图4丁坝在30度和75度断面时垂直纵截面的水流特性

bonk讯叶血

（fl）

图5丁坝附近垂直横断面的水流特性

（a）30度丁坝的上游

（c）30度丁坝的下游

（b）75度丁坝的上游

（d）75度丁坝的下游

5河床的地形变化

从所有的实验中可以看出最初在坝头形成的旋涡导致了冲刷坑的形成。

横截面的冲刷坑形状接近U形。

最初，冲刷的泥沙向下游移动，在凹岸淤积。

然后，由于附属水流和螺旋循环，泥沙移动并在凸岸堆积形成脊（图6）。

脊的

尺寸逐渐增加并逐渐向下游断面移动。

从实验中还可以看出在丁坝下游的分离区形成明显的涡流区。

丁坝下游的

转向流流速的增加与前面提到的旋涡流，还有两个高速流、低速流的边界区域

的旋涡流有关。

从图7中可以看出退化的区域从丁坝的上游开始一直倾斜到丁坝的下游。

图8展示了在弗劳德数Fr=0.345,丁坝位置在30度、45度、60度断面时无量纲的河床地形。

图中dz表示相对于最初河床高程的改变量，X和Y表示无量纲坐标。

为了看到丁坝对河床地形的影响，图9展示了没有丁坝，弗劳德数

Fr=0.345时弯道的无量纲河床地形。

图6丁坝下游凸岸的泥沙淤积

Spurdike

Fi*7Degradationduetospurdike

从图8中可以很清楚的看出丁坝在弯道中的位置是丁坝附近冲刷坑的影响中一个很重要的参数。

当丁坝在30度断面的位置时，丁坝