论文摘要
天然河道一般都可以概化为一系列弯段和直段的组合,因此对于理想弯道的水沙运动规律研究可以作为天然河道水沙运动规律研究的基础。弯道水流具有明显的三维性运动特性。对弯道水流规律的研究,在水利工程学的许多领域中,占有重要的位置。模型试验是研究弯道水流的一种基本方法。现有对弯道水流的研究虽已有不少成果,但大多都是针对简单弯道的研究。而对于含有多个河湾的充分发展的连续弯道作用下弯道的水流结构、泥沙运动规律及河床变形规律等还有待于进一步研究。本研究设计制作了由6个等尺度180o弯段连接而成的连续弯道概化模型水槽,利用该模型进行了不同水深、不同流量下清水定床试验及推移质床沙动床试验,测量了弯道各处水流完整的水力要素及冲淤形态。对各弯段相同位置的流速分布所作比较表明,第一弯段中的水流并未充分发展为弯道水流,其水流特性在纵向垂线平均流速的断面分布以及水流动力轴线上存在着明显的差异,无法代表典型的弯道水流特性。这说明利用单个弯道模型的试验可能存在某些局限性、以及利用多弯的连续弯道模型研究蜿蜒河型弯道演变的必要性。同时,根据试验数据,本文对弯道水流及床面变形的一些现象进行了初步分析。结果表明:1)弯道水流主流线的变化规律与流量大小密切相关,小流量时偏向凹岸,但略向下游倾斜,大流量时偏向凸岸;2)纵向流速的垂线分布规律在沿程及沿河宽方向上均发生着变化。弯顶之前,断面各处流速分布均下小上大,最大流速在水面以下。弯顶之后,凸岸区流速分布下大上小,水面附近的流速下降明显,最大流速接近水底;3)连续弯道在弯道环流的作用下,冲淤满足凹岸冲刷、凸岸淤积的基本规律,且推移质同岸输移规模要大于异岸输移规模。此外,在试验分析的基础上,研究中还按照各组次试验的工况及参数,借助3D数学模型进行了数值模拟,将计算结果与试验结果进行了对比。数学模型与概化模型的测量结果相符较好,很好的验证了数值计算的真实可靠性。