弯道丁坝水流特性

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22.5cm的网格和其他断面212cm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。