丁坝群对弯道水流影响

施政

摘 要：采用MIKE21模型对弯道有无丁坝群两种工况下的水流特性进行数值模拟试验，分析丁坝群建设前后弯道水流水面横比降、横向环流、流速重分布等特性，进一步证实弯道的护岸机理，为相关的工程实践提供理论依据。

关键词：MIKE 21；丁坝群；弯道水流

中图分类号：U656.35+2 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2016）08-0049-01

弯道水流是渠道和河道中常见的一种水流运动现象。自1870年Thompson通过试验首次发现了弯道螺旋流之后，弯道水流一直受到研究人员的关注。无论是国内还是国外，都对弯道水流的动力特性有一些共性的认识，主要集中在水面横比降、横向环流、流速重分布等方面。在一定范围内，弯道产生的复杂流结构及流态会影响河岸稳定，因此需要在弯道险段布置护岸工程。丁坝是一种传统的护岸方式，国内外应用的比较广泛，相应研究丁坝周围水流结构的也很多，弯道水流运动所涉及的物理量往往很多，边界条件复杂多变，很难利用现有的计算公式直接得到准确的数值解，大多数的研究都是在现有理论指导下，以实测资料为基础，建立物理或数值模型，进行模型试验，但由于测量技术的限制，对丁坝周围水流流态的研究还没有趋于完整的理论。

1 研究方法

针对弯道水流特性，在传统丁坝群护岸的基础上，采用丹麦DHI公司的MIKE软件进行二维数学模型试验，研究弯道修建丁坝护岸群前后弯道水流流态的变化。计算采用MIKE21 FM软件中的HD模块建立模型，该模块采用垂向平均二维浅水方程，离散方法为有限差分法，计算方法采用ADI（Alternating Direction Implicit）和DS（Double Sweep）格式，其基本方程如下：

2 研究区域概况

本次模拟的弯道典型采用辽宁省苏子河上游羊祭台段弯道，平面地形采用1：1万地形图，水下地形采用采用实测河道大横断测量成果。

在弯道凹岸迎流顶冲段设计丁坝9座，规格统一为长20m，宽4m，坝间间距50m的非淹没式下挑丁坝，坝轴线与水流方向成60度角。

模型计算进口条件为流量资料，采用2500.00m3/s；出口条件为水位资料，采用253.00m。

3 计算结果分析

通过模拟计算，天然情况下水流流经弯道作曲线运动，水面形态和水流结构发生调整和变化，弯道凹岸水面升高，凸岸水面降低，形成水面横比降，最大横比降出现在弯顶附近。横比降的形成造成了弯道凹岸水面纵比降及水面形态的变化，整个弯道水面呈现扭曲的水面形态，从而导致弯道水流结构的调整和横向环流的出现，弯道任一断面出现不同方向的环流。横向环流促使最大流速区由凸岸向凹岸转移，弯道内凹岸流速大于凸岸。

通过对丁坝群建设前后流场及水位高程的对比分析，修建丁坝群后，坝前横向水面线呈马鞍形，丁坝上游水位较高，纵向水面线呈下凹形曲线，距离丁坝较远的断面水流比较平顺，自由水面的纵向比降较小。横向比降只出现在丁坝附近的水流区域，在距离丁坝较远的弯道出口断面，横向几乎没有比降存在。丁坝上游区域，凹岸的水位比凸岸水位略高，水流流过丁坝后，过水面积增大，水流一部分沿主流方向继续向下游流动，另一部分流向坝后区域，产生横向流动，形成回流区。弯道上游一定范围内水流流速减小，下游一定距离区域内近凹岸一侧流速减小，凸岸一侧增大，继续向下游发展这种影响逐渐消失。

由于丁坝群束窄水流，弯道内最大流速增大，最大流速区明显向主河槽偏移，凹岸流速明显减小，并出现了负流速。受丁坝阻挡的水流，一部分直接绕坝头而下，另一部分则沿上游坝面转向，在坝的上下游均出现明显的回流区，就整个弯道的流场而言，有一直保持前进运动的主流区和具有闭合流线的回流区，且回流区内有漩涡出现。在丁坝上游，主流收缩，水流偏向对岸，水流绕过丁坝后，由于受惯性作用和丁坝群的束缚，主流宽度继续收缩，流速增大而压强减小，使得坝区水流流向主槽。

4 结论

丁坝群的存在使弯道凹岸水流由沿河岸下切转为由水底向水面运动，大大削弱水流对凹岸的冲刷，有利于凹岸丁坝坝档间泥沙等落淤，经过一段时间的发展成型，通过栽种植物可以形成生物带。同时对凸岸形成一定的冲刷，促进河势的健康发展，充分体现了丁坝的护岸机理。

参考文献：

[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]张玉萍.弯道水力学研究现状分析[J].武汉水利电力大学学报，2000，10（5）：35-80.

[3]郭维东，周阳，张云清，王立群，赵百良.丁坝对弯道水流影响的分析[J].沈阳农业大学学报，2006-08，37（4）：666-668.