不同绕流结构体附近河道水流特性试验研究

论文摘要

丁坝作用下的河道水流特性的研究起步较早,丁坝的绕流研究一直是比较经典的工程研究问题,从时均流场到紊动特性都有许多成果,且其理论成果已到了比较成熟的地步。而在高山峡谷地区,由于崩塌、滑坡和泥石流等地质灾害,很容易产生松散体汇入河道形成一般水流条件难以搬运的堆积体。这些堆积体会增加河流泥沙的来源,挤压流路,改变河道水流的运动特性和输沙特性。堆积体与丁坝对河道水流的影响有相似之处,如在河道中都会引起绕流及局部冲刷的现象,所以对不同结构体作用下的河道水流特性研究可以从丁坝的研究成果中汲取经验。本论文采用水槽模型试验与理论分析相结合的方式,通过将丁坝和堆积体多种概化模型在同一水流条件下进行水槽试验,分析不同形态、尺度的结构体可能对河道天然流场产生的不同影响,从而探讨丁坝与堆积体对流场影响的异同,为不同绕流结构体河道河床演变的研究打下基础。试验采用自动水位仪测量水深,粒子成像测速仪(PIV)测量流速。研究了不同绕流结构体对河道水面线、时均流场以及水流偏转的影响。其中主要研究成果如下:(1)分析了不同绕流结构体河道水面线变化。总体上看,不论是在河道左岸还是右岸,河道水位沿程的变化规律相同:在河道上游虽产生壅水,但水流较平顺,沿程上水位比降几乎没有变化,但梯形丁坝对水位的壅水作用最大,方形丁坝次之,堆积体最小。当水流绕过绕流结构体逐渐扩散时,产生水跃现象,且方形丁坝水跃的现象最剧烈,发生位置最早,通过水跃消能率也最大,但各绕流结构体河道水跃效能率均较小,说明跃前断面总能量主要不是通过水跃方式消能,而主要通过跃后断面水位沿横向来回波动方式消能。水跃发生的位置不仅与结构体沿河道长度有关,还与阻流面积有关:结构体长度越长,阻流面积越大,水跃发生位置越靠后。在河道下游,水流逐渐趋于平稳状态。在绕流结构体对河道水流收缩最大的断面(x*=0),梯形丁坝对水位横向比降的影响最大,方形丁坝次之,堆积体最小。在贴近绕流结构体的下游断面(x*=0.5),梯形丁坝由于存在第一回流区,使水位在横向上比降变化较大,水位在左岸最低,在右岸又最大。在回流区附近(x*=1.1),梯形丁坝对水位横向的影响依旧最大,从左岸到右岸先减到最小水位后增加到与左岸相当的水位,且略高于方形坝和堆积体。(2)分析了不同绕流结构体时均流场的分布。在壅水区及主流区,流场分布均匀,大致沿水流方向继续向前运动。在滞流区,方形丁坝和梯形丁坝对壅水区水流滞留作用大于堆积体。在回流区,堆积体回流的持续长度大于方形丁坝和梯形丁坝,一直持续到了水跃区。不同绕流结构体纵向流速及横向流速沿程及沿横向分布规律相似,横向流速均小于其纵向流速,且最大值的大小排序为:方形丁坝大于梯形丁坝,且均大于堆积体,说明在河道近床面,方形丁坝对右岸河床底部的冲刷作用最大,梯形丁坝次之,堆积体最小。不难发现,不同绕流结构体在各自的回流区纵向流速均较小,且产生反向流速,易产生左淤右冲的现象。各绕流结构体各流层主流区的最大流速丁坝明显大于堆积体,梯形坝最大流速稍大于方形坝,因此,对于绕流结构体河道下游各流层主流区最大流速的影响因素,只与最大阻流面积有关。(3)分析了不同绕流结构体对河道水流偏转的影响。对于不同绕流结构体都有相同的规律,从沿程方向分析:在绕流结构体上游壅水区水流均向右岸偏转,且随着往收缩断面的发展沿程减小,经收缩断面后下游主流区水流又往左岸偏转,且幅度不大相对平稳。从横向分析:同一断面的偏转在横向上基本体现为从左岸到水槽中间位置逐渐增加,从水槽中间位置到右岸又逐渐减小,且左右岸贴近槽壁两端偏转很小,这是由于远离绕流结构体受其影响较小的缘故。从垂向上分析:在绕流结构体上游主流区,水槽中部测线水流往右岸的偏转沿水深由下到上逐渐减小。同时,对于不同绕流结构体,方形丁坝、梯形丁坝、堆积体使流速往右岸偏转的角度最大值分别为71.7°、69.3°、26.6°,因此不同绕流结构体对河道水流偏转影响大小排序为:方形丁坝、梯形丁坝、堆积体。(4)本文拟通过将丁坝和堆积体多种概化模型在同一水流条件下进行水槽试验,分析不同形态、尺度的结构体可能对河道天然流场产生的不同影响,从而探讨在丁坝研究基础上,进行堆积体研究的必要性。同时,研究不同结构体作用下河道三维水流特性,可对绕流结构体上游行洪、泥沙冲淤、河道整治和堤岸防护提供验证资料。为分析预测泥沙起动、输移发展过程及河床演变发展变化提供理论支持。其研究成果也可对高山峡谷区受堆积体影响河道治理方案的优化提供技术支持。

论文目录

摘要

Abstract

1 绪论

1.1 研究背景

1.2 国内外研究现状

1.2.1 支流入汇河道水流特性研究

1.2.2 丁坝作用下河道水流特性研究

1.2.3 桥墩作用下河道水流特性研究

1.2.4 渐变河道水流特性研究

1.2.5 堆积体作用下河道水流特性研究

1.3 发展趋势

1.4 论文主要工作

1.4.1 研究内容

1.4.2 研究途径

2 试验系统

2.1 模型设计

2.1.1 供水系统

2.1.2 水槽模型

2.1.3 绕流模型

2.2 测量仪器

2.2.1 流量测量

2.2.2 水位测量

2.2.3 流速测量

2.3 方案设计

2.3.1 流量选定

2.3.2 测量范围

2.3.3 试验条件

3 水面线

3.1 水跃分析

3.2 平面分布

3.3 沿程分布

3.4 沿横向分布

3.5 小结

4 时均流场

4.1 分区水流特征

4.2 流速验证

4.3 流速平面分布

4.3.1 纵向流速

4.3.2 横向流速

4.4 流场分布

4.5 回流分界线

4.6 小结

5 水流偏转

5.1 偏转定义

5.2 流线分布

5.3 沿程分布

5.4 沿横向分布

5.5 沿垂向分布

5.5.1 同一断面不同测线

5.5.2 同一测线不同断面

5.6 小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表论文及科研成果

致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 周珏西

导师: 张婧,杨阳

关键词: 丁坝,堆积体,水槽试验,河道水面线,时均流场,水流偏转

来源: 西华大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 地球物理学,水利水电工程

单位: 西华大学

分类号: TV133

DOI: 10.27411/d.cnki.gscgc.2019.000144

总页数: 97

文件大小: 7284K

下载量: 66

不同绕流结构体附近河道水流特性试验研究

论文摘要

论文目录

文章来源

相关论文文献

猜你喜欢