国内外丁坝群的水力特性研究现状及展望

骆 言 许昊丽 李春光通讯作者，,2

（1.宁夏大学土木与水利工程学院，宁夏 银川 750021；2.北方民族大学土木工程学院，宁夏 银川 750021）

1 丁坝群的流场结构

近年来，关于丁坝群流场结构的研究，张岩[1]等用运用RNG k-Ƹ 湍流模型结合VOF 法，对60°弯道的丁坝绕流进行了研究，模拟了三种工况，研究表明：凸岸流速大于凹岸流速；丁坝前水面横降比、丁坝后回流区随着丁坝长度的增大而增大。魏文礼[2]等运用同样的方法，对60°弯道的丁坝群进行弯道水力特性试验，结果表明：由于丁坝群的存在，弯道内的最大流速、最大流速区的面积明显增加；每座丁坝后均有回流区产生，其中首座丁坝的回流区面积最大。Cheng[3]等通过MlKE3-FM 模型对60°弯道内的非淹没直丁坝进行数值模拟，研究了不同丁坝倾角对流场结构和表面形态的影响，结果表明：随着丁坝倾角的增大，丁坝周围的流场结构和表面形态都会发生变化；上游水面横降比先增后减；下游水面横降比先减后增。通过总结国内外试验研究成果可知:丁坝群使下游丁坝回流区长度增加；上游丁坝的回流区纵向流速沿高程的增加而减小，但不会减小到无丁坝时的情况；下游丁坝越长，挑流和壅水越明显；下游丁坝回流区宽度通过改变下游丁坝在在上游丁坝的实际有效压缩比来控制。

2 丁坝群的紊动强度

关于丁坝群紊动强度的研究，Sohail Iqbal[4]等采用FLUENT 软件开发的雷诺应力紊流模型，对不同渗透性的丁坝进行了数值模研究，通过试验的水深和三维流速，分析了不同位置的速度剖面、等值线、紊流强度和紊流动能，结果显示：随着丁坝渗透性的增加，不透水丁坝场内形成的回流区减小；与不透水丁坝相比，透水丁坝坝头的紊流强度和紊流动能明显降低；为减小丁坝回流区，应采用透水丁坝。Shahab Nayyer[5]等建立了建立了不同丁坝形状（I-、L-和T-型）的三重串联组合绕流流场水力特性的模型试验，运用FLOW-3D 软件进行最优组合和控制试验的数值模拟分析，结果表明：（LTT）串联组合对降低丁坝周围的速度、剪应力、压力和紊流动能最为有效；不同几何形状的丁坝串联使用，对减少冲刷有积极作用；将有防护丁坝的丁坝组合与无防护丁坝的丁坝组合进行了比较，防护丁坝可以降低水流特性强度和冲刷深度。Shampa[6]等进行了不同角度的引道水流和两种类型的单桩位置布置的室内试验，建立了三维多相数值模型并分析，结果表明：高渗透性丁坝群可以降低沿岸的纵向流速、紊流强度，出现更多横向水流；丁坝群交错布置桩格位置，既可降低河床剪应力，又可改善紊流区的水流形态。通过总结国内外试验研究成果可知：回流区紊动强度均比主流区的紊动强度大；紊流强度在纵向上高于横向和垂向；为减小紊流强度、降低水流剪应力，可采用透水性较强、（LTT）丁坝形状串联组合、交错布置桩格位置的方式。

3 丁坝群的局部冲淤

在丁坝群局部冲淤的研究方面，杨旭亮[7]等对实际河道中的双丁坝进行了模拟，建立了三维数值模型，拟定了 5 种对比方案，对比分析了双丁坝的水沙运动特性，结果表明：双丁坝长度差不应大于 10 m ；当双丁坝长度符合匹配时，冲刷坑位置在双丁坝之间，坑底平缓，冲刷深度小；最大冲刷坑在次丁坝附近；冲刷坑上游较缓，下游较陡。Manish Pandey[8]等在室内进行了90 度弯道T 形丁坝冲刷的试验，用声波多普勒测速仪测量了T 形坝冲刷孔内的三维流场，结果表明：丁坝的冲刷量随着弗劳德数和长度的增加而增加；增大丁坝翼长可以减小丁坝的冲刷；丁坝上游的冲刷量比下游大很多。Ezzeldin[9]等通过对五种不同开孔率丁坝模型进行试验，研究了透水丁坝与实心丁坝对最大冲刷深度的影响，验证了Nays-2DH 模型的准确度。岳志春[10]以黄河宁夏青石段河道为基础，通过改进材料配比的方式进行了坝垛模型试验，提供了更佳的丁坝上跨角、占体宽度等设计参数。目前，在国内外，室内试验条件下的丁坝冲刷研究仍处于理论探索阶段，各个影响因素如何影响冲刷过程以及相关物理量之间的关系还不能确定，因此，探索各个影响因素与冲刷物理量之间的关系，具有广阔研究意义。

4 数值模拟计算方法

近年来，将丁坝试验研究与数值模拟进行结合成为一种高效、可行的方法。最初学者们主要以二维数值模型为主，但由于丁坝绕体水流的三维特征明显，二维数值模型无法充分研究其特征，因此，越来越多的学者选用三维数值模型进行丁坝流场、紊动强度、局部冲淤等方面的研究。以下列举了常见的三维数值模拟方法。

4.1 流动控制方程

（1）水流连续方程

（2）水流动量方程

4.2 RNG k-Ƹ 数值模拟方法

紊流动能k和紊动能耗散率ε方程[2]：

式中；经验常数Cμ=0.0845。

4.3 泥沙运动方程

(1) 泥沙挟带计算

式中：参数αi=0.018；ns为法向向量；τ为局部剪切应力。

(2) 推移质输运计算

式中：ψ为水流方向与斜坡间的夹角；β为河床坡度；为泥沙休止角。

5 总结与展望

本文通过总结近年来国内外关于丁坝群在流场结构、紊动强度、局部冲淤等方面的研究，探讨了丁坝群的未来研究方向和常见研究方法，结果如下：（1）国内外在进行丁坝群的流场结构、紊动强度方面的研究时，多采用清水水流的物理模型试验，但在高含沙量的黄河，其流场结构、紊动强度是受水流、泥沙、坝体三者共同影响。未来应进行高含沙量的水流物理模型试验，探讨在高含沙量水流作用下的丁坝群水力特性。（2）在关于丁坝群的冲淤方面，国内外许多学者针对不同的研究情况，提出了基于不同工况下的关于丁坝冲淤方面的经验性或半经验性公式。未来应将原型观测和模型观测相结合，以探究在不同工况下丁坝冲淤的作用机理和通用公式。（3）丁坝群的水力特性是复杂的相互作用的过程，将原型观测、物理模型试验和数值模拟耦合进行结合，通过改进观测方案、增加模型精度及丰富数值模拟等方法，进而深入探讨丁坝群的作用机理，形成完整研究体系。（4）国内外数值模拟的计算输出结果多是以数据报表和图表的形式将离散数据进行输出，费时费力，还难以直观把握计算结果的准确性。未来，应将大量的离散数据转化为以图形或图像形式表示的静态或动态画面，从而实现计算结果的可视化。（5）目前，国内的丁坝研究集中在探究坝体附近水流流场和局部冲刷等水力特性。在国外，大量学者将丁坝研究与景观学、社会学等学科进行融合，分析丁坝的空间形成功能，考察总结人类的近水活动。未来，应将丁坝研究与社会科学进行融合，分析丁坝在河流空间中的生态、经济功能，阐明丁坝与人类活动的关系，为人类活动创造良好的条件。