丁壩群對彎道水流影響

施政

摘 要：采用MIKE21模型對彎道有無丁壩群兩種工況下的水流特性進行數值模擬試驗，分析丁壩群建設前后彎道水流水面橫比降、橫向環(huán)流、流速重分布等特性，進一步證實彎道的護岸機理，為相關的工程實踐提供理論依據。

關鍵詞：MIKE 21；丁壩群；彎道水流

中圖分類號：U656.35+2 文獻標識碼：A 文章編號：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動現象。自1870年Thompson通過試驗首次發(fā)現了彎道螺旋流之后，彎道水流一直受到研究人員的關注。無論是國內還是國外，都對彎道水流的動力特性有一些共性的認識，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，彎道產生的復雜流結構及流態(tài)會影響河岸穩(wěn)定，因此需要在彎道險段布置護岸工程。丁壩是一種傳統(tǒng)的護岸方式，國內外應用的比較廣泛，相應研究丁壩周圍水流結構的也很多，彎道水流運動所涉及的物理量往往很多，邊界條件復雜多變，很難利用現有的計算公式直接得到準確的數值解，大多數的研究都是在現有理論指導下，以實測資料為基礎，建立物理或數值模型，進行模型試驗，但由于測量技術的限制，對丁壩周圍水流流態(tài)的研究還沒有趨于完整的理論。

1 研究方法

針對彎道水流特性，在傳統(tǒng)丁壩群護岸的基礎上，采用丹麥DHI公司的MIKE軟件進行二維數學模型試驗，研究彎道修建丁壩護岸群前后彎道水流流態(tài)的變化。計算采用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段彎道，平面地形采用1：1萬地形圖，水下地形采用采用實測河道大橫斷測量成果。

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

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

3 計算結果分析

通過模擬計算，天然情況下水流流經彎道作曲線運動，水面形態(tài)和水流結構發(fā)生調整和變化，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，整個彎道水面呈現扭曲的水面形態(tài)，從而導致彎道水流結構的調整和橫向環(huán)流的出現，彎道任一斷面出現不同方向的環(huán)流。橫向環(huán)流促使最大流速區(qū)由凸岸向凹岸轉移，彎道內凹岸流速大于凸岸。

通過對丁壩群建設前后流場及水位高程的對比分析，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。橫向比降只出現在丁壩附近的水流區(qū)域，在距離丁壩較遠的彎道出口斷面，橫向幾乎沒有比降存在。丁壩上游區(qū)域，凹岸的水位比凸岸水位略高，水流流過丁壩后，過水面積增大，水流一部分沿主流方向繼續(xù)向下游流動，另一部分流向壩后區(qū)域，產生橫向流動，形成回流區(qū)。彎道上游一定范圍內水流流速減小，下游一定距離區(qū)域內近凹岸一側流速減小，凸岸一側增大，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，并出現了負流速。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向，在壩的上下游均出現明顯的回流區(qū)，就整個彎道的流場而言，有一直保持前進運動的主流區(qū)和具有閉合流線的回流區(qū)，且回流區(qū)內有漩渦出現。在丁壩上游，主流收縮，水流偏向對岸，水流繞過丁壩后，由于受慣性作用和丁壩群的束縛，主流寬度繼續(xù)收縮，流速增大而壓強減小，使得壩區(qū)水流流向主槽。

4 結論

丁壩群的存在使彎道凹岸水流由沿河岸下切轉為由水底向水面運動，大大削弱水流對凹岸的沖刷，有利于凹岸丁壩壩檔間泥沙等落淤，經過一段時間的發(fā)展成型，通過栽種植物可以形成生物帶。同時對凸岸形成一定的沖刷，促進河勢的健康發(fā)展，充分體現了丁壩的護岸機理。

參考文獻：

[1]THOMPSON J.On the origin and winding of rivers in alluvial plains[J].Proc Royal Society of London，1876，25（3）：40-43.

[2]張玉萍.彎道水力學研究現狀分析[J].武漢水利電力大學學報，2000，10（5）：35-80.

[3]郭維東，周陽，張云清，王立群，趙百良.丁壩對彎道水流影響的分析[J].沈陽農業(yè)大學學報，2006-08，37（4）：666-668.