连续丁坝水沙特性实验研究

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1、连续丁坝水沙特性实验研究(申请清华大学工学硕士学位论文)培养单位：水利水电工程系学科：水利工程研究生：韩晗指导教师:林斌良教授二○一七年五月ExperimentongroynesinducedflowcirculationsandassociatingsedimentdepositionThesisSubmittedtoTsinghuaUniversityinpartialfulfillmentoftherequirementforthedegreeofMasterofScienceinHydraulicEngineeringbyHan

2、HanThesisSupervisor:ProfessorLinBinliangMay,2017摘要摘要丁坝是水利工程中最为常见的水工建筑之一，可以作为整治建筑物束窄水流，加大水流挟沙力，优化航深条件，也可以迎托主流，减缓岸边的局部流速和河岸冲刷，保证航道稳定。丁坝施工简单，造价低，目前已被河道整治工程充分利用，而丁坝区产生的回流会引起复杂的河道流速分布和泥沙输移过程，如果设置不当，将会出现水毁现象，引起滩势形态恶化，对于船舶航行和水利工程有着重要的影响。现有丁坝的水流和泥沙运动特性研究多集中于数学模型方面，现场实测资料和模型实验等直接

3、观察得到的数据非常有限，且已有实验研究多关注于推移质下的河床演变，针对悬移质造床以及复杂河道条件下的丁坝群深入分析仍较为缺乏。本文通过室内大型水槽进行的物理实验，模拟水流和天然沙悬移质在连续丁坝区的回流形态及淤积特征。集成多路摄像终端通过粒子跟踪测速技术对全流场的水流流速、分布进行同步测量，通过电磁流量计和压力传感器记录流量和水深过程，以细分网格的方式采集了泥沙淤积重量和粒径的详细分布，并对丁坝水流特性进行分析，精细划分了丁坝回流区，同时对比研究了悬移质的输移和淤积。实验结果表明：（1）丁坝区的回流存在纵向零流速线，将其沿横向划分为主流

4、区、回流正区和回流负区，沿纵向划分为增流区和减流区，横向障碍物前存在次生回流，流速范围及大小与外侧流速正相关，对流场整体形态影响较小；（2）回流流量呈现中心稳定两侧迅速增减，最大可达上游来流量的50%，零速线的形态与其横向流速的特征线相似，与回流流量变化相互验证，水深对零速线的位置影响不大；（3）悬移质淤积重量、粒径大小的分布与流速的形态相似，上游区主流位置淤积量较多，粒径远大于其他区域，回流区及下游的主流区，只有极少甚至没有细沙落淤，丁坝坝头冲刷严重，没有泥沙落淤。本文研究成果可为更加深入地研究丁坝区回流和泥沙冲淤特性提供可靠的数据，

5、为数值模拟提供详细的验证资料，进而对航道设计及河岸维护等实际工程提供科学的支撑作用。关键词：河流泥沙工程学；丁坝；物理实验；回流区；悬移质IAbstractAbstractGroyneisahydraulicstructurefrequentlyusedinriverengineeringprojects.Itnarrowsrivertooptimizeshippingcondition.Italsogeneratesflowcirculationandmakesthevelocitydistributionandsedimenttra

6、nsportprocessesverycomplex.Practicalengineeringhasmadefulluseofgroyneonaccountofitslowercost.Butifdesignedimproperly,groynesmaycausewaterloggingandhaveasignificanteffectonthelocalwaterenvironmentandshipping.Existingresearchonflowandsedimentingroynefieldsisprimarilybasedo

7、nmathematicalmodelsimulations.Fieldstudyandphysicalmodelbasedexperimentalstudiesarelimited.Studiesonagroynesystemofcomplexconditionarestillscarce.Inthisstudy,webuiltaphysicalmodelofawidechannelinalarge-scaleflumetosimulatetheflowandsuspendedloadprocessincontinuousgroynef

8、ields.Thevelocityonthewholeflowfieldwasmeasuredusingtheparticletrackingvelocimetry(PTV)withtheintegrati