丁坝在水利工程作为护岸建筑物被广泛使用,同时也是非常重要的航道整治建筑物。丁坝利用其挑流功能,使水流主流远离堤岸,从而可以保护堤岸免于水流冲蚀,同时维持航道水深,保持河道原有形态。天然河道大多是弯道,其中很大一部分甚至是U型180度大角度弯道,因此研究丁坝对180度明渠弯道水流特性的影响,对180度明渠弯道中丁坝的合理布置以及改善弯道的流场有着非常重要的理论意义和工程价值。本文采取模型试验与数值模拟相结合的方式,模型试验采用PIV系统和无线超声波自动水位测量系统测量了弯道典型断面流速、水位。分析了沿程水面线、水位横比降和水位纵比降,时均流速在丁坝附近及弯道的特点和变化规律。数值模拟则采用Ansys Icem建立与物理试验尺寸一致的三维数学模型并用Fluent进行求解,在此基础上系统的分析了弯道流速分布、坝后回流区尺度、湍动能及湍流黏度的分布和变化规律,主要研究成果及结论如下:(1)丁坝的布设使得弯道的水流结构重新分布,在丁坝上游壅水明显,水流绕过坝头后在下游出现跌水现象,在坝后形成漩涡,水位明显降低,所有工况下丁坝所在的凹岸水位均高于凸岸水位,直至弯道出口一段距离后恢复平稳。(2)丁坝在45度布设时,丁坝越长,沿程最高水位越大,壅水作用更加明显,且最高水位出现的位置向入口处偏移。弯道90度处布设丁坝时,坝长基本不影响最高水位的位置;丁坝长度越长,弯道沿程水位最低点越靠近进口侧。丁坝布设在弯道90度处相比45度处坝前后水位降幅明显增加,丁坝阻水作用更明显。(3)丁坝离弯道入口越近,水位最高点和最低点越大;凹岸离弯道越远坝前壅幅越高,凸岸则正好相反。丁坝布设在90度断面的沿程最高水位高于布设在45度断面;弯道不同位置处布设丁坝坝前水位壅幅相差不多,而长丁坝坝后水位降幅明显大于短丁坝。(4)在弯道45度处,丁坝的布设使得弯道横比降明显上升,其中丁坝越短,对于横比降的影响越小。弯道90度处布设丁坝最大水面超高值明显比较大,同时横比降最小处,即两岸达到平稳处出现的位置也比较靠后,表明弯道90处布设丁坝相对45度不利于航道航行安全。相对于长丁坝,短丁坝布设在45度处沿程横比降变化相对90度处布设丁坝较为缓和,对于减小弯道横向环流以及弯道螺旋流有一定作用。(5)丁坝影响下弯道内两岸纵比降最大值均出现在3-4号断面,表明该断面处受到丁坝以及弯道调整作用的影响最为明显,丁坝布设在45度处两岸最大纵比降均高于布设在90度处。(6)通过对弯道内不同工况下的时均流速进行了横向、纵向和垂向上的分析,结果表明在纵向上丁坝布设离弯道进口越近,坝前流速越小,坝头处流速越大;丁坝越长,对弯道的束水作用越明显,凸岸处流速越大;丁坝的布设能够有效削弱水流对凹岸的冲刷,且丁坝布设在45度处相对于90度处有明显的优势。在横向上分析表明,由于丁坝的阻水作用,水流在坝头处形成分离流,主流下潜,并且丁坝的挑流作用下偏向凸岸,且丁坝越长坝头流速越大,主流越靠近凸岸,短丁坝布设效果优于长丁坝。在垂向方面,总体上,流速沿水深方向呈指数分布,局部位置沿水深方向出现不均匀性,在45度处,长丁坝对水流垂向的调整作用较为明显,能够有效的减小流速沿垂向的不均匀性。而在90度处,短丁坝的调整作用则更佳。(7)由于丁坝的挑流作用下,主流偏向凸岸,在坝头处形成高流速区,流速最大值出现在坝头附近,并向下游延伸一定范围。在一定范围内,丁坝挑角越大,坝头及下游高流速区范围越大,流速的最大值也越大。同时流量的增加在增大弯道整体流速的同时也使得流速梯度变大,增加了速度的不均匀性。(8)丁坝的挡水作用使得水流绕过丁坝以后,在坝头产生剧烈的分离流动,在惯性的作用下,水流分成两部分,一部分继续前进,另一部分水流则在离心力的作用下在坝后与侧壁分离,形成一个逆时针的漩涡,在坝后产生回流区。在一定范围内,丁坝挑角越大,坝后的回流区长度越大,流量的增加也会使得回流区扩大,但有一个临界值,回流尺度增大到一定程度便不再随流量变大。(9)湍动能较大区域主要分布在凹岸丁坝上游、坝头处、坝头对岸下侧以及坝后分离在附着区域。坝后一段漩涡区域内流速较慢,湍动能也比较小,其中湍动能最大值出现在坝后分离在附着的位置,随后沿着凹岸蔓延并减小,至弯道出口后逐渐恢复到均匀分散状态。在一定范围内,挑角越大湍动能强度越大,其影响范围也逐步扩大;流量越大,弯道内平均湍动能越大,极值也相应增大。(10)湍流黏度较大区域主要分布在丁坝侧上游区域以及坝后回流区,其规律与湍动能相似。