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长江科学院院报 2022年第4期39卷 91-98页

作者：钟亮姜利姜彤李国际陈镜元重庆交通大学国家内河航道整治工程技术研究中心重庆400074 重庆交通大学河海学院重庆400074

阶梯形丁坝是常见的航道整治建筑物,天然河道中的水流多为非恒定流,非恒定流作用下的阶梯形丁坝局部冲刷特性研究,对丁坝结构设计和水毁防护等具有重要意义。采用自回归马尔柯夫模型,将天然来流过程概化为波谷起冲和波峰起冲2种情况,基... 详细信息

阶梯形丁坝是常见的航道整治建筑物,天然河道中的水流多为非恒定流,非恒定流作用下的阶梯形丁坝局部冲刷特性研究,对丁坝结构设计和水毁防护等具有重要意义。采用自回归马尔柯夫模型,将天然来流过程概化为波谷起冲和波峰起冲2种情况,基于平面二维水流泥沙数学模型,探讨非恒定流作用下的阶梯形丁坝局部冲刷特性。结果表明:①不同流量过程下,坝后主流区和回流区的流速均随上游来流量的变化而变化,波谷起冲时主流区随冲刷历时的增加逐渐分为2个区域,而波峰起冲时主流区在初期便被分为2个区域。②受主流区变化和冲坑后方淤积区的共同影响,波谷起冲时的冲坑下游边界向下游凸起后回缩,波峰起冲时的冲坑边界向坑内收缩后扩散到下游,坝头最大冲深较恒定流条件可增加25.5%~54.3%。③如采用一级丁坝长度L_(d1)表征冲坑尺度,6 h冲刷历时中,波谷起冲时冲坑长度、宽度最大值分别可达9.2L_(d1)和2L_(d1),波峰起冲时则分别可达11.3L_(d1)和2.1L_(d1)。

关键词：阶梯形丁坝非恒定流自回归马尔柯夫模型局部冲刷冲坑尺度

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阶梯形丁坝局部冲刷特性数值模拟研究

阶梯形丁坝局部冲刷特性数值模拟研究

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作者：姜彤重庆交通大学

学位级别：硕士

阶梯形丁坝在航道整治工程中应用广泛,但关于其坝头局部冲刷特性的研究却少有涉及。开展阶梯形丁坝局部冲刷特性研究,对丰富航道整治理论体系具有重要理论意义,可为航道整治工程设计优化提供技术支撑。本文采用数值模拟与理论分析相结... 详细信息

阶梯形丁坝在航道整治工程中应用广泛,但关于其坝头局部冲刷特性的研究却少有涉及。开展阶梯形丁坝局部冲刷特性研究,对丰富航道整治理论体系具有重要理论意义,可为航道整治工程设计优化提供技术支撑。本文采用数值模拟与理论分析相结合的方法,研究了冲坑尺度随单因素变化规律,探讨了非恒定流对冲坑尺度的影响规律,取得的主要研究成果如下:(1)清水恒定流时,相同条件下,非淹没的单式丁坝与阶梯形丁坝达到最大冲深所需冲刷历时相同,床面最终形态基本一致,但单式丁坝的回流区尺度、回流负流速、冲坑形态尺度均大于阶梯形丁坝。(2)坝头局部冲刷可分为3个阶段:初始段、发展段、平衡段。冲刷坑形态尺度在初始段发展迅速,完成了最大冲深的40%;在发展段,冲刷坑形态尺度增长速率减缓;当冲深随冲刷历时变化曲线逐渐坦化,床面冲刷基本达到平衡状态,即平衡段。总体上,最大冲深随时间基本呈对数型增长。(3)分析了弗劳德数Fr、一级丁坝高度H、二级丁坝长度L、床沙粒径d对局部冲刷坑形态尺度的影响规律;定义一级丁坝相对高度ψ=H/H,二级丁坝相对长度ε=L/B,一级丁坝坝顶被淹没的平面为阶梯层,阶梯层相对长度为阶梯层沿槽宽长度与L的比值;当ψ=0.13时,二级丁坝对水流泥沙运动影响占主导,与单式丁坝相比,其最大冲深减少了45.34%,除此之外,阶梯形丁坝使最大冲深的减少最多能达到10%左右。当阶梯形丁坝挡水面积相同,阶梯层相对长度越长,最大冲深越大;两级丁坝高度固定时,若阶梯层相对长度较长同时挡水面积较小,或阶梯层相对长度较短同时挡水面积较大时,阶梯形丁坝的最大冲深比单式丁坝高出约2%～8%。(4)以数值模拟计算成果为基础,经过双变量相关性分析,运用量纲分析方法以及优化组合,建立了恒定流条件下,适用于非淹没阶梯形丁坝的最大冲深计算公式。(5)采用马尔柯夫模型对天然河道来流过程进行随机模拟,将模拟流量过程概化为平均流量、冲刷历时、时段内总来水量与恒定流条件都相同的典型非恒定流过程,采用起始冲刷流量不同的2种典型概化过程作为数值模型的水流边界条件,即波谷起冲与波峰起冲流量过程。(6)非恒定流条件下,床面冲淤发展与冲刷历时有关,流量相同时流场分布具有差异性,且波谷起冲流量过程的差异性强于波峰起冲。(7)波谷起冲时,坝头的冲坑几何尺度呈线性增长;冲坑发展在洪峰来临前开始减缓,但最大冲深仍高速增长;冲坑最大宽度达到2L,长度达到9.19L。(8)波峰起冲时,冲坑迅速成形,最大冲深呈线性增长;由于受落水期流量逐步降低、坝后长条状淤积区以及冲坑边壁坍塌的影响,冲坑长度先增长后稳定再增长;在涨水期,冲坑面积呈线性增长,其长度增长速率逐渐减小。冲刷历时结束时,冲坑最大宽度达到2.1L,长度达到11.3L。(9)非恒定来流时的丁坝局部冲刷演变规律不同于恒定流,丁坝上游缓流区出现淤积,下游回流区负流速较大的地方出现冲刷,将床沙往逆水流方向推移导致回流区产生少量淤积。冲坑长度达到恒定流时的2～2.5倍,最大冲深增加了25.6%～54.41%。

关键词：阶梯形丁坝冲坑尺度数值模拟非恒定流

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