國內(nèi)外丁壩群的水力特性研究現(xiàn)狀及展望

駱 言 許昊麗 李春光通訊作者，,2

（1.寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，寧夏 銀川 750021；2.北方民族大學(xué)土木工程學(xué)院，寧夏 銀川 750021）

1 丁壩群的流場結(jié)構(gòu)

近年來，關(guān)于丁壩群流場結(jié)構(gòu)的研究，張巖[1]等用運(yùn)用RNG k-? 湍流模型結(jié)合VOF 法，對60°彎道的丁壩繞流進(jìn)行了研究，模擬了三種工況，研究表明：凸岸流速大于凹岸流速；丁壩前水面橫降比、丁壩后回流區(qū)隨著丁壩長度的增大而增大。魏文禮[2]等運(yùn)用同樣的方法，對60°彎道的丁壩群進(jìn)行彎道水力特性試驗(yàn)，結(jié)果表明：由于丁壩群的存在，彎道內(nèi)的最大流速、最大流速區(qū)的面積明顯增加；每座丁壩后均有回流區(qū)產(chǎn)生，其中首座丁壩的回流區(qū)面積最大。Cheng[3]等通過MlKE3-FM 模型對60°彎道內(nèi)的非淹沒直丁壩進(jìn)行數(shù)值模擬，研究了不同丁壩傾角對流場結(jié)構(gòu)和表面形態(tài)的影響，結(jié)果表明：隨著丁壩傾角的增大，丁壩周圍的流場結(jié)構(gòu)和表面形態(tài)都會發(fā)生變化；上游水面橫降比先增后減；下游水面橫降比先減后增。通過總結(jié)國內(nèi)外試驗(yàn)研究成果可知:丁壩群使下游丁壩回流區(qū)長度增加；上游丁壩的回流區(qū)縱向流速沿高程的增加而減小，但不會減小到無丁壩時(shí)的情況；下游丁壩越長，挑流和壅水越明顯；下游丁壩回流區(qū)寬度通過改變下游丁壩在在上游丁壩的實(shí)際有效壓縮比來控制。

2 丁壩群的紊動(dòng)強(qiáng)度

關(guān)于丁壩群紊動(dòng)強(qiáng)度的研究，Sohail Iqbal[4]等采用FLUENT 軟件開發(fā)的雷諾應(yīng)力紊流模型，對不同滲透性的丁壩進(jìn)行了數(shù)值模研究，通過試驗(yàn)的水深和三維流速，分析了不同位置的速度剖面、等值線、紊流強(qiáng)度和紊流動(dòng)能，結(jié)果顯示：隨著丁壩滲透性的增加，不透水丁壩場內(nèi)形成的回流區(qū)減??；與不透水丁壩相比，透水丁壩壩頭的紊流強(qiáng)度和紊流動(dòng)能明顯降低；為減小丁壩回流區(qū)，應(yīng)采用透水丁壩。Shahab Nayyer[5]等建立了建立了不同丁壩形狀（I-、L-和T-型）的三重串聯(lián)組合繞流流場水力特性的模型試驗(yàn)，運(yùn)用FLOW-3D 軟件進(jìn)行最優(yōu)組合和控制試驗(yàn)的數(shù)值模擬分析，結(jié)果表明：（LTT）串聯(lián)組合對降低丁壩周圍的速度、剪應(yīng)力、壓力和紊流動(dòng)能最為有效；不同幾何形狀的丁壩串聯(lián)使用，對減少?zèng)_刷有積極作用；將有防護(hù)丁壩的丁壩組合與無防護(hù)丁壩的丁壩組合進(jìn)行了比較，防護(hù)丁壩可以降低水流特性強(qiáng)度和沖刷深度。Shampa[6]等進(jìn)行了不同角度的引道水流和兩種類型的單樁位置布置的室內(nèi)試驗(yàn)，建立了三維多相數(shù)值模型并分析，結(jié)果表明：高滲透性丁壩群可以降低沿岸的縱向流速、紊流強(qiáng)度，出現(xiàn)更多橫向水流；丁壩群交錯(cuò)布置樁格位置，既可降低河床剪應(yīng)力，又可改善紊流區(qū)的水流形態(tài)。通過總結(jié)國內(nèi)外試驗(yàn)研究成果可知：回流區(qū)紊動(dòng)強(qiáng)度均比主流區(qū)的紊動(dòng)強(qiáng)度大；紊流強(qiáng)度在縱向上高于橫向和垂向；為減小紊流強(qiáng)度、降低水流剪應(yīng)力，可采用透水性較強(qiáng)、（LTT）丁壩形狀串聯(lián)組合、交錯(cuò)布置樁格位置的方式。

3 丁壩群的局部沖淤

在丁壩群局部沖淤的研究方面，楊旭亮[7]等對實(shí)際河道中的雙丁壩進(jìn)行了模擬，建立了三維數(shù)值模型，擬定了 5 種對比方案，對比分析了雙丁壩的水沙運(yùn)動(dòng)特性，結(jié)果表明：雙丁壩長度差不應(yīng)大于 10 m ；當(dāng)雙丁壩長度符合匹配時(shí)，沖刷坑位置在雙丁壩之間，坑底平緩，沖刷深度??；最大沖刷坑在次丁壩附近；沖刷坑上游較緩，下游較陡。Manish Pandey[8]等在室內(nèi)進(jìn)行了90 度彎道T 形丁壩沖刷的試驗(yàn)，用聲波多普勒測速儀測量了T 形壩沖刷孔內(nèi)的三維流場，結(jié)果表明：丁壩的沖刷量隨著弗勞德數(shù)和長度的增加而增加；增大丁壩翼長可以減小丁壩的沖刷；丁壩上游的沖刷量比下游大很多。Ezzeldin[9]等通過對五種不同開孔率丁壩模型進(jìn)行試驗(yàn)，研究了透水丁壩與實(shí)心丁壩對最大沖刷深度的影響，驗(yàn)證了Nays-2DH 模型的準(zhǔn)確度。岳志春[10]以黃河寧夏青石段河道為基礎(chǔ)，通過改進(jìn)材料配比的方式進(jìn)行了壩垛模型試驗(yàn)，提供了更佳的丁壩上跨角、占體寬度等設(shè)計(jì)參數(shù)。目前，在國內(nèi)外，室內(nèi)試驗(yàn)條件下的丁壩沖刷研究仍處于理論探索階段，各個(gè)影響因素如何影響沖刷過程以及相關(guān)物理量之間的關(guān)系還不能確定，因此，探索各個(gè)影響因素與沖刷物理量之間的關(guān)系，具有廣闊研究意義。

4 數(shù)值模擬計(jì)算方法

近年來，將丁壩試驗(yàn)研究與數(shù)值模擬進(jìn)行結(jié)合成為一種高效、可行的方法。最初學(xué)者們主要以二維數(shù)值模型為主，但由于丁壩繞體水流的三維特征明顯，二維數(shù)值模型無法充分研究其特征，因此，越來越多的學(xué)者選用三維數(shù)值模型進(jìn)行丁壩流場、紊動(dòng)強(qiáng)度、局部沖淤等方面的研究。以下列舉了常見的三維數(shù)值模擬方法。

4.1 流動(dòng)控制方程

（1）水流連續(xù)方程

（2）水流動(dòng)量方程

4.2 RNG k-? 數(shù)值模擬方法

紊流動(dòng)能k和紊動(dòng)能耗散率ε方程[2]：

式中；經(jīng)驗(yàn)常數(shù)Cμ=0.0845。

4.3 泥沙運(yùn)動(dòng)方程

(1) 泥沙挾帶計(jì)算

式中：參數(shù)αi=0.018；ns為法向向量；τ為局部剪切應(yīng)力。

(2) 推移質(zhì)輸運(yùn)計(jì)算

式中：ψ為水流方向與斜坡間的夾角；β為河床坡度；為泥沙休止角。

5 總結(jié)與展望

本文通過總結(jié)近年來國內(nèi)外關(guān)于丁壩群在流場結(jié)構(gòu)、紊動(dòng)強(qiáng)度、局部沖淤等方面的研究，探討了丁壩群的未來研究方向和常見研究方法，結(jié)果如下：（1）國內(nèi)外在進(jìn)行丁壩群的流場結(jié)構(gòu)、紊動(dòng)強(qiáng)度方面的研究時(shí)，多采用清水水流的物理模型試驗(yàn)，但在高含沙量的黃河，其流場結(jié)構(gòu)、紊動(dòng)強(qiáng)度是受水流、泥沙、壩體三者共同影響。未來應(yīng)進(jìn)行高含沙量的水流物理模型試驗(yàn)，探討在高含沙量水流作用下的丁壩群水力特性。（2）在關(guān)于丁壩群的沖淤方面，國內(nèi)外許多學(xué)者針對不同的研究情況，提出了基于不同工況下的關(guān)于丁壩沖淤方面的經(jīng)驗(yàn)性或半經(jīng)驗(yàn)性公式。未來應(yīng)將原型觀測和模型觀測相結(jié)合，以探究在不同工況下丁壩沖淤的作用機(jī)理和通用公式。（3）丁壩群的水力特性是復(fù)雜的相互作用的過程，將原型觀測、物理模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬耦合進(jìn)行結(jié)合，通過改進(jìn)觀測方案、增加模型精度及豐富數(shù)值模擬等方法，進(jìn)而深入探討丁壩群的作用機(jī)理，形成完整研究體系。（4）國內(nèi)外數(shù)值模擬的計(jì)算輸出結(jié)果多是以數(shù)據(jù)報(bào)表和圖表的形式將離散數(shù)據(jù)進(jìn)行輸出，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，還難以直觀把握計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。未來，應(yīng)將大量的離散數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為以圖形或圖像形式表示的靜態(tài)或動(dòng)態(tài)畫面，從而實(shí)現(xiàn)計(jì)算結(jié)果的可視化。（5）目前，國內(nèi)的丁壩研究集中在探究壩體附近水流流場和局部沖刷等水力特性。在國外，大量學(xué)者將丁壩研究與景觀學(xué)、社會學(xué)等學(xué)科進(jìn)行融合，分析丁壩的空間形成功能，考察總結(jié)人類的近水活動(dòng)。未來，應(yīng)將丁壩研究與社會科學(xué)進(jìn)行融合，分析丁壩在河流空間中的生態(tài)、經(jīng)濟(jì)功能，闡明丁壩與人類活動(dòng)的關(guān)系，為人類活動(dòng)創(chuàng)造良好的條件。