基于单横向交界面变化的箱式丁坝水力特性研究

发布时间：2020-10-15 05:59

　　 箱式丁坝是视双丁坝及其包围的内部区域为整体的一个单元体,在其上游丁坝上设置缺口,形成上游横向交界面,可在箱体内创造出丰富的水流结构和地形环境,从而改善箱内生境条件以达到生态保护的目的。故具有上游横向交界面的箱式丁坝(即单缺口箱式丁坝)可成为潜在的广泛应用于河流生态治理和恢复的新型水工建筑物。本文将具有上游横向交界面(缺口)的箱式丁坝单元体作为研究对象,主要考虑以缺口长度占丁坝长度的比值(缺占比)、缺口偏离上游丁坝中心的比例(缺偏比)、缺口阻水率三个缺口形态参数作为研究变量,采用数值模拟试验和物理模型试验相结合的方法探讨其对具有上游横向交界面的箱式丁坝(单缺口箱式丁坝)水流结构和水体交换过程的影响规律,并将研究结果模拟应用于工程当中以评价其效果,主要研究成果如下:(1)上游横向交界面(缺口)形成后,箱式丁坝内部存在明显分区,不仅存在相对平静、泥沙易落淤的回溯环流区与涡流区,还具有相对流速较大、泥沙易冲蚀的过缺口水流与绕流;相比常规实体丁坝具有更丰富的水流结构。(2)缺占比越大,回溯环流区和涡流区的平面尺度越小,但流速无明显差异;过缺口水流和绕流水的流速值越小;箱内平均流速、交界面综合交换流速越大;水体交换能力越强。缺占比为0.25时为较优工况配置。(3)缺偏比的增减对过缺口水流和绕流水的流速值、水体交换能力均无较大影响;缺偏比越大,偏转角度越小,涡流区平面尺度愈小,回溯环流区平面尺度愈大。缺占比接近或等于1时为较优工况配置。(4)缺口阻水率小于0.5,过缺口水流偏向主流;缺口阻水率大于0.5,过缺口水流不发生偏转;缺口设置底坎可减小下潜流的流速,从而减轻下潜流对上游丁坝缺口段和坝头的冲刷作用;缺口阻水率为0.4～0.5时为较优工况配置。(5)生态保护型箱式丁坝工程设计中,缺占比不宜大于0.33、缺偏比不宜低于0.4、缺口阻水率不宜大于0.5,并综合考虑水体交换能力适中的工况配置,才能保护回溯环流区尺度并制造局部冲槽为生物提供所需的庇护场所。(6)将较优工况配置应用到闽江南港段,在上游丁坝设置缺口后,其坝头周围流速减小10%,坝头压力得到释放;过缺口水流打破原回溯环流区,使得箱内既有生态栖息静态区域,又有繁衍觅食动态区域。
【学位单位】：福州大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TV863;TV135
【部分图文】：

?各开挖了一个缺口，结果却淤积出了五座小岛将航道隔开，小岛另一侧便创造了??适合生物栖息的生态通道，详见图１－１。??■ＩＶ??愚??ＩＢＫｌｒＶ??（ａ）设置缺前?（ｂ）设置缺口后??图１－１美国密西西比河上游某处箱式丁坝群??其改变箱式丁坝的横向交界面带来生态效应是积极可观的，但对于该种箱式??丁坝的水流结构和水体交换过程尚待研宄。本研宄的目的即通过研宄单横向交界??面变化的箱式丁坝水力特性挖掘箱式丁坝潜在的生态效应，研究结果将有助于为??具有生态恢复功能的箱式丁坝设计提供科学依据。??１．２．４研究现状小结??（１）针对丁坝水流结构的研宄现状，国内外更多地从事单丁坝方面的研究，??５??

??（１）针对不同上游横向交界面半开放式单个箱式丁坝的水流结构研究，将??据所读文献选取一些水流条件参数（主要考虑近均匀流的流速、流量、水位）??上游横向交界面形态参数（主要考虑缺占比、缺偏比、缺口阻水率），再将上??参数导入水槽数学模型，经过ＲＮＧ紊流模式模拟水流绕箱式丁坝流动，将得??到的流速数据进行处理分析，探讨单横向交界面变化对箱式丁坝水流结构的影响。??（２）针对上游横向交界面变化的单个箱式丁坝水体交换过程研究，拟利用??体染色试验将其水体交换过程可视化。试验前，用薄板将箱式丁坝的横、纵向??界面暂时封闭。通过观察箱内水体扩散路径及其与主流紊动情况。?，??（３）针对箱式丁坝工程应用研宄，在上述两方面的研宄成果之上，提出若??组较优的箱式丁坝配置型式，同时建立闽江下游南港段的二维数值模型，将若??干组较优的箱式丁坝配置型式应用到闽江南港段上，讨论箱式丁坝在实际工程应??用上的生态效应。??具体技术路线见图１－３：??单横向交界面变化的箱式丁坝??

并调整大小使不同尺寸网格的变化平缓，以避免网格尺寸的突变使数值计算??不稳定。??本章数值模型平面图和立面图分别如图２－２和图２－３所示，长１２ｍ、宽ｌｍ、??高０．３０ｍ。为了使入口段底部边界层能够充分发展，上游丁坝放置在距离入口?６ｍ??处，下游丁坝设置在距离入口?６．６ｍ处。坐标原点选在上游丁坝的坝根处，计算??模型均采用结构化网格划分，在丁坝附近及底面进行局部加密，Ｘ、？和２方向的??网格数分别为２６０、６２、１４，网格总数共计２２５６８０个。??Ｉ０－６］?－＾―Ｉ?ｉＢＢｌ?．．．？圍???ｎ?－）?Ｊ?，?；ｌ：；ｉｒｐｖ?：?；．ｌ－；－７．，■；：?ｉｌｎ－ｉｉＭｉ，．?：＇■?＇￣￣￣Ｔ￣?＇?■?＇?＾?＇ｉ：：；！??？?｜?１?１?１?１?１?｜?１?Ｉ?１?Ｉ?１?Ｉ??－６－４－２?０?２?４?６??ｘ（ｍ）??图２ｄ水槽
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本文编号：2841798