阶梯-深潭结构潭底压力特征研究.pdf

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1、第31卷第8期长江科学院院报Vo1．31No．82014年8月JournalofYangtzeRiverScientificResearchInstituteAug．2014DOI：10．3969／j．issn．1001—5485．2014．08．010阶梯一深潭结构潭底压力特征研究黄华东，漆力健，余国安，王先义(1．重庆交通大学土木建筑学院，重庆400074；2．四川农业大学水利与建筑工程系，四川雅安625014；3．中国科学院地理科学与资源研究所，北京100101)摘要：以山区河流天然的阶梯一深潭结构为研究对象，采用k—s双方程紊流数值模拟方法，研究了不同流量

2、下的阶梯一深潭结构潭底压力特征与河床结构安全相关的性质。4个数模工况实验数据均表明阶梯一深潭结构深潭底压力分布较为均匀，在潭底的压力分布呈现类似圆圈状闭合曲线状形式，保证了潭区压力分布的均匀性和合理性，同时也促进了能量高效均匀耗散。此外，阶梯一深潭结构主动调整潭区结构以及水深分布，形成水垫促进压差分布趋于平稳，阻止了因大流量工况下能量积聚、压力集中对河床结构造成直接被冲毁情形的发生，有利于河床结构的稳定和安全。关键词：阶梯一深潭；深潭底部；数值模拟；压力分布；河床稳定中图分类号：TV143文献标志码：A文章编号i1001—5485(2014)08—0050—05况

3、情形消能效果均表现良好，实测小流量工况情形和数值模拟大流量工况情形消能率均高达80％以1研究背景上¨，充分耗散了水流能量，对河床、岸坡的稳定起到阶梯一深潭结构是山区河流上常见的一种河流了显著的促进作用。笔者再次采用计算流体力学方地貌结构，国内外学者对阶梯一深潭结构展开了深入法来研究阶梯一深潭结构深潭底部压力分布的规律，的学术研究。20世纪80年代，Whittaker等¨调查和该方法不会受到实验条件的种种限制，能够很好地指分析了阶梯一深潭结构的发育成因，随后又通过其创导实验研究，并且还可以模拟实验中只能接近而无法造性的实验和野外调查发现，阶梯一深潭结构可使水达到的理

4、想条件。故给阶梯一深潭结构在数值模拟流阻力向最大化方向发展；Milzow等研究了阶梯一上的研究提供良好的技术条件，也为阶梯一深潭结构深潭的空间结构和水力学特性；Chin分析了阶梯一的理论研究和实际应用做了更进一步的努力。深潭结构对于增大水流阻力保护河床的作用；朱兴华等对地震灾区河流野外调查发现，震区山区河流纵断面总体表现为淤高。在固体物质汇人河道较多且2数学模型具有一定量大石块的中上游河段，山区河流会逐渐形实验采用Launder和Spalding所曾提出的k—成阶梯一深潭结构或者阶梯状结构。此类结构能增o双方程紊流数学模型，对阶梯一深潭结构进行三大水流阻力，消耗水

5、流能量，从而使自身达到最大的维紊流数值模拟，其连续方程、动量方程和、方程稳定性；王兆印等通过野外实验发现阶梯一深潭可分别表示如下，各项参数参见文献m：结构具有良好的消能作用，可以使得水流能量急剧降连续方程：低，并低于引发河谷侵蚀和泥石流爆发的临界值；徐螋：0；(1)+江和王兆印通过野外人工试验和水槽实验，分析了OtOx，’、阶梯一深潭系统增加水流阻力，消减水流动能，稳定动量方程：河床的作用。Ot+a(、puiuj)=此外，笔者之前通过数值模拟与野外实验数据相．对比的方法对阶梯一深潭结构进行模拟研究，得到了OP一+毒[(+(+)]；c2)其在不同流量工况情形下消能率

6、的变化规律。各工收稿日期：2013—07—08；修回日期：2013—09—04基金项目：国家自然科学基金项日(41001008)；四川省教育厅资助项目(12ZB306)作者简介：黄华东(1990一)，男，重庆丰都人，助理工程师，硕士研究生，主要从事土木水利工程方面的研究，(电话)】3983691820(电子信钸)huadonghuangcqjtu@foxmail．eonl。52长江科学院院报况和数模工况1的深潭段均能反映出存在多处环工况3(见图5(c))，深潭段压力分布为一1582．73～流，深潭段的流态、流速大小、位置与实测工况基本8344．15Pa，最大压强8

7、344．15Pa发生在阶梯段=吻合(见图4)，阶梯一深潭结构的消能率也与实测0．12～0．15Ill，Y=0．21～0．26m范围内，逐渐向周围工况相近(实测工况消能率为95．28％，数模工况1降低到深潭边缘约为988．25Pa；数模工况4(见的消能率为94．71％)。可见对数模工况的建立、边图5(d))，深潭段压力分布为一2243．59～界条件以及参数的设置是较为合理的，为对其余工9367．80Pa，最大压强9367．80Pa发生在=0．13～况的结构特征研究和压力分析提供了可能。故此文0．17rn，Y=0．25～0．28m范围内，逐渐向周围降低到借助笔者之前对

8、流场结构和