陈跃宏

摘 要：在应用于航道整治活动中的各种建筑物里，丁坝属于非常常见的一类。丁坝的结构有利于约束和引导外来的水流，将水源约束在丁坝的河道里，而且能够保护岸堤，减轻水源对环境的破坏程度。另外，丁坝的坝体附近存在很多比较复杂的水流现象，因此探究航道整治河段的水流特性是很有必要的，也能够为与航道整治相关的建筑物的构造设计提供思路。本文以丁坝为主要研究对象，首先分析了丁坝近场可能存在的不同水流现象，并概述三维数值分析所需要应用的相关计算模型，然后通过建立模型同时结合实例验证模型最后对计算结果进行分析，探究坝体计算区域的水流特性。

关键词：数值模拟;丁坝;流动特性;航道整治

中图分类号：U617         文獻标识码：A            文章编号：1006—7973（2021）07-0106-04

1引言

在航道整治活动中，丁坝建筑物的应用是各种建筑物中比较普遍的一种。丁坝能够起到很好的束水归槽的作用，不仅能够减少堤岸损毁情况的发生，还可以有效地保证整治河段区域形态的稳定性。丁坝按照坝体的平面设计结构来划分，可以被分为很多类别，比如“丁”字型、直线以及曲线型等等。除了按照平面形状来划分，丁坝还可以按照构筑材料、水位高度以及坝体轴线与水体流向的关系等划分为很多类型。构建丁坝容易导致丁坝附近的各个水源线路汇集，进而会影响并改变其近场水流流动的结构，最终结果是造成泥沙的淤积问题。构建丁坝会改变水流的压力以及流速场，是水流的流动表现出明显的三维特征，丁坝坝体的头部和尾部形成不同的水流现象，这是水流的紊流。

2数值计算模型

2.1控制方程

式（1）为水流的连续方程，式（2）-（4）为N-S方程，其中ui是平均速度，Ai和VF分别为流体的面积以及体积分数，Gi和fi分别是体积力和黏性力，压力是P，应变力张量和总动力黏性分别是Si、μtot、τij、τw，I分别为流体以及壁面剪应力。

2.2 泥沙输运方程

式（5）的输沙率公式是基于希尔兹数的泥沙运输模型而进行构建的，主要考虑河道计算区域内推移质泥沙的运动，对于河道计算区域内悬移质泥沙的运动影响则忽略不计。

式中，ρs 代表泥沙的密度，qb以及ub分别是推移质输沙率和运输的平均速度，d、p分别是泥沙颗粒的平均半径以及起动的概率。

3模型实例验证

3.1 坝体三维数值模型

某整治河段的流域长度大约为1290米，在还没有开展河段整治活动时，该区域河段的平面形状弯曲部分的曲率并不高，整体形状顺直。但是，该河段的河底部位并不顺平，存在各种比较大的凸起和凹坑。另外，通过该河段的水流流量在其计划的水位之下是比较小的，整个区域水位深度平均为1.9米，流量大约为每秒钟369立方米，河段流域的宽度平均为198米，从结构上来划分该河段为浅宽式。离河段入口断面790米的地方，存在淤积的泥沙在河底堆积，产生了逆坡。再往后的河底处存在深谭，该区域河段存在的最大宽度为390米。想要整治并解决该河段存在的问题，使其整治后河段的设计标准达到4级，需要在河段开展实施活动去提高河流航道的深度，然后构筑顺坝，顺坝位置要选在河底深潭处河段断面宽度最大的地方的左侧岸堤，以便于对外来水流的约束引导。如图1所示为整治河段的设计水位下水面曲线以及河底高程图。

3.2 计算区域和网格划分

以整治河段区域的施工设计和河段的地形构造为依据，对整治河段区域的形状进行构设。整治河段区域按93*20*19对河段设计水位流场的计算网格进行划分。如图2所示，分别为入流断面的网格划分具体示意图以及计算区域水面的网格划分示意图。

3.3 河段计算区域的边界条件

整治河段计算区域的边界条件：对称条件由该区域的自由水面上来给定;整治河段计算区域的出口位置是出流边界，出口断面给定水流的流量，计算区域要在边界流速无规律分布时合理的进行调整增大，要达到紊流水流的边界要求;航道河段的入流边界是计算区域的入口位置，航道河段在入流断口的水流流速的给定是均匀的，入口断面的面积除入口流量得到的结果值就是入口断面的流速;无滑移条件下的固定壁面由计算河段区域的边壁和河底给定。

4计算结果及其分析

整治河道构建丁坝会对该整治河道先前的河床面和水位状况造成影响。首先丁坝的存在会阻挡原先水流的流动，进而会造成该河段水位的升高，而且河段的水位高度不会在变化后就快速保持稳定。另外，由于构建丁坝后整治河段的流水断面面积会变小进而导致增大水流速度，处于河底的切应力变大，泥沙会随着水源流动最终使该河段的水位下降保持稳定。如图3为计算区域表面的流速矢量图。

在设计的河段水位下方水流的流量很大但是深度比较小，每秒2.015米是位于入口断面处的水流的平均流动速度，整治河段所处位置的地形环境会对流场造成影响。除了小部分地形构成比较复杂的河段区域水流流速不具有规律性，河段水流的运动速度在整体上呈现出抛物线形的流速规律。在x=740米处的河段位置，岸堤附近的水流存在部分回流，河底则呈现出均匀规律性的水流流速，而且水流的运动速度比较大。而在x=1350米处的河段位置，河段的宽度变大且在河流底部有深谭存在，这个位置的河段岸堤也存在水流的回流现象，但是相对比来说左侧岸堤附近的水流回流现象比右侧岸堤的回流现象要明显，回流现象存在的区域范围更大。该整治河段区域在x=950米后存在长度约为1250米的顺坝和挖槽，这个河段范围内的水流运动相对稳定，河段整体的形状也比较直顺。

如图4所示的河流航道区域，河流临近底部的坡度变化比较快，而且由于水流受到惯性以及重力的影响，在这些因素的共同作用下水流出现了回流现象，河段岸堤附近的区域有水流横向运动的现象出现。如图5所示在x=971.6m的整治河段区域横断面处，河底的坡度变化比较小，在河段的岸堤附近地形的走势也比较稳定。在这个河段区域的河道宽度是比较大的，存在水流随着岸堤的坡度向上运动的现象，而且部分水流会同时进行横向运动。

如图6所示x=1239.7m的整治河段区域横断面处，该河段的位置处于坝体的末端，而且该河段在临近河底位置的坡度变化比较小，河段左侧岸堤的河滩地势形态是影响该区域水流运动的主要因素。在右侧的岸堤附近，水流的运动速度比较均匀且河段的过水面宽度渐渐增大，而左侧岸堤附近的水流运动速度则存在变化，流场比较复杂且水流的运动速度加快。如图7所示在x=1323.4m处的整治河段区域横断面，该河段位于河底深潭的中心区域，这个区域的地势形态存在较多的变化，水流具有非常显著的三维特性。在靠近深潭的上游区域，河底的坡度变化非常剧烈，垂直方向的水流运动速度加快并往底部运动。该河段处的左侧岸堤宽度较大，下方运动的水流挤压处于回流区域内的水流并导致被挤压的水流往上运动，该河段区域存在比较明显的回流现象。

在x=1400米向后的河段区域，地势形态比较稳定且河流底部的坡度变化水平比较低，水流的运动状态比较稳定。水流的运动整体呈现主流运动速度快而岸堤两边的运动速度比较慢的流动规律。

5 结论

在河流整治区域内，水流运动的结构具有稳定性，而且河道会因为泥沙的淤积以及水流运动过程中的冲击而改变其河流走势形态。各种整治河流状况的建筑物的构筑能够造成河流航道发生快速且程度很大的变化。而且处于建筑物附近的水流会和边界分离，进而会在整治建筑物的近场形成很多复杂的水流运动现象，打破先前水流运动结构的稳定性。而且形成的这些水流运动现象会对构建的坝体和河流航道的形态造成反面的影响。本文依据k～ε紊流模型以及泥沙的运动模型，同时结合控制方程构建计算模型。然后选取实例进行水流特性的三维数值模拟并分析计算结果，进而通过对计算结果的分析得到了不同整治航道不同河段的水流運动特性，为日后的航道整治活动研究提供了参考。

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