明渠砂质床面桩柱冲刷与导流防护试验研究

为了研究明渠砂质床面桩柱冲刷的水沙动力机理,分析极限平衡冲刷深度和范围随水流雷诺数的变化规律以及抗冲刷导流防护措施的效果,利用动床模型水槽试验,再现了桩柱周围局部床面从平整发展到冲刷坑的发育过程,测量了各工况下冲刷坑的形态参数,并利用PIV技术观测粗颗粒泥沙局部悬扬运动。结果表明:桩柱冲刷范围(相对于桩径D)随雷诺数ReD增大呈减小趋势。当雷诺数ReD在4 500~18 000之间变化时,冲刷深度变化范围为2.4D~1.3D,冲刷坑半径变化范围为4.5D~2.5D。砂质床面桩柱冲刷除存在显著的推移质运动外,还存在局部粗泥沙颗粒悬扬,且悬扬输沙的范围和强度随冲刷坑发展而强烈变化。在桩柱后方设置导流板能够有效抑制柱后卡门涡街的生成,桩后冲刷深度最大减小幅度为27.7%,但对柱前冲刷深度的影响不大。     

串列梯形柱绕流水动力特性数值分析

该文采用数值模拟分析了雷诺数为150和间距比为3的串列双梯形柱绕流水动力特性。当梯形柱背流面与迎流面长度比为d/D=0、0.3和0.5时,双柱的上侧旋涡融合,在尾部形成了不对称的P+S泄涡模式,导致下游柱体承受的平均升力偏离零值。d/D=0.7的双梯形柱泄涡转变为2S模式,表现为上游柱体旋涡与下游柱体旋涡融合后交替脱落。双方柱(d/D=1)间隙以及下游方柱尾部均形成了准静态涡,剪切层有小幅摆动,但未卷曲形成旋涡。d/D=0和0.3时,上游柱体后方由于边界层再附着形成了次生涡,增大了局部压力。随着d/D的增大,上游柱体旋涡形成长度增长,双柱间隙流动趋于稳定,下游柱体前缘的横向速度脉动逐渐减弱,其后方的尾迹也趋于对称。上游柱体的遮蔽效应使其平均阻力大于下游柱体,而间隙流的不稳定性与边界层的交替再附着使得下游柱体升力偏大。双方柱绕流场处于拟稳定状态,其水动力系数远小于三棱柱和梯形柱。相较于双圆柱,三棱柱和梯形柱的边界层分离点靠前,增大了绕流的升阻力。     

串列双圆柱涡激振动响应的数值模拟

该文利用动网格技术对雷诺数Re=100的串列双圆柱的涡激振动响应特性进行了详尽的数值研究。研究了上游圆柱固定,下游圆柱横向振动时,不同间距比(L/D=2-5)和折合流速(Ur=2.4-12)对上、下游圆柱的升阻力特性、涡激振动响应特性和圆柱间干扰效应的影响;以及下游圆柱双自由度(横向和流向振动)涡激振动响应特性。研究发现:随着间距比的增大,下游圆柱开始进入"锁定区间"的Ur减小,且下游圆柱的涡激振动对上游圆柱的影响逐渐减弱,但上游圆柱对下游圆柱的干涉效应一直存在。对于不同间距比,在折合流速Ur=7.2附近,下游圆柱的升阻力系数具有很明显的"跳跃"现象,并出现阻力峰值,且不同间距比的下游圆柱都在Ur=7.2时获得最大振幅且幅值相近,这意味着下游圆柱可能在此折合速度下被完全诱导,当下游圆柱被完全诱导振动后,间距比对圆柱振幅的影响较小。不同的折合流速下,小间距比(L/D=2)和大间距比(L/D=5)的尾流会表现出不同的流动形式和"2P"、"2S"等涡脱形式。下游圆柱双自由度振动时,流向振动相对横向振动振幅较小。     

水工建筑物下游的局部冲刷

本文给出了水工建筑物下游冲刷问题的分析，得出了清水冲刷时最大冲刷深度的半经验公式和冲刷坑上游坡稳定的判定标准；并简要分析了大型水工建筑物下游保护设计的功能，介绍了冲刷过程和泥沙输移机理，最后给出了原型的验证结果。     

桥墩对下游河道整治建筑物冲刷的影响

河道整治结构通常用于改善河流稳定性和生态条件,并保护上游河道内基础设施免受冲刷和侵蚀。淹没堰是一种典型的河道整治结构,通常建在桥梁下游,用于河道坡度控制。溢出堰的水流会造成局部冲刷,破坏建筑物和河道的稳定性。因此,准确估计冲刷并了解上游桥墩对淹没堰局部冲刷的影响对于结构安全设计非常重要。对调节桥墩及淹没堰的距离L进行研究。研究中,在沉积物循环水槽中使用中值粒径d₅₀=0.85 mm的均匀粗砂进行了56次实验。对于清水冲刷,实验表明桥墩冲刷过程在淹没堰上游产生冲刷和填充过程,上游桥墩还可以通过两种机制影响淹没堰下游的冲刷：(1)上游泥沙补充;(2)过流断面收缩。机制(1)和(2)可分别减少和增加淹没堰处的下游清水冲刷深度。对于动床冲刷,上游桥墩可分别减少和增加淹没堰影响上游和下游的冲刷深度。根据试验数据,评估淹没堰处冲刷深度与桥墩、淹没堰二者距离L之间的关系。     

串列布置下倒角柱体绕流数值模拟及水动力特性分析

为研究串列布置情况下，倒角变化对柱体绕流水动力特性的影响，该文采用大涡模拟方法研究了在雷诺数Re=3 900和间距比L/D=3条件下，6种不同倒角(R⁺=0.0、0.1、0.2、0.3、0.4和0.5)串列布置的柱体三维流场，模拟工作验证有效。分析了柱体后方水动力参数、瞬时流场和时均流场的变化情况，分析结果表明：随着倒角增大，上下游柱体的平均阻力系数C_d-ave变化趋势相反，上游柱体C_d-ave逐渐变小，而下游柱体的C_d-ave逐渐上升且均为负值；随着倒角增大，上下游柱体Sr数值相同并出现先增大后减少的趋势；两柱体之间的回流速度曲线下切深度明显增加，速度最小值出现处从下游柱体两侧向中心不断变化；串列布置下游柱体尾流宽度显著变小，在间距比L/D=3条件下，剪切层的初始分离均发生在上游柱体倒角转折处，并附着于下游柱体前端及两侧。该研究结果可为柱体绕流研究及相关工程应用提供参考。     

双圆柱下游污染物浓度分布特性研究

利用计算流体力学(CFD)方法,在雷诺数Re=1×10~6的条件下,对双圆柱不同布置方式下的污染物绕流现象进行了数值模拟,比较了双圆柱在不同排列方式和间距条件下对流场结构以及污染物输移混合特性的影响,分析了横向尾涡摆动和纵向速度剪切作用对污染物分布的影响机制。结果表明,双柱并列条件下,随着间距比G/D的不断变化,污染物浓度脉动强度分布沿程表现出先增大后减小的变化趋势;G/D≥2时,双圆柱各自产生的尾流涡街相互作用程度较弱,可忽略对其污染物扩散的影响。双柱串列条件下,污染物的横向影响范围经历了先增大后减小的过程;G/D≤0.25时,双柱串列可视为一个整体。     

进占方式对戗堤局部冲刷影响的三维数值模拟

在实施土石堤坝溃口快速封堵、河道截流等水利和防洪减灾工程时,口门或龙口处存在较强的局部冲刷。基于已有的经圆柱、丁坝局部冲刷试验结果验证的三维数值模型,模拟了单向、双向进占方式下龙口宽度B/H=4.3、5.8时堤头和河床的局部冲刷发展。根据水流特性与冲刷发展的关系,分析了加剧局部冲刷的水流结构和进占方式对局部冲刷发展的影响规律。研究结果表明:单向进占时,戗堤对水流和冲刷发展存在偏移效应;冲刷在初始阶段均表现为沿堤头上游、裹头下游形成的斜向轴线冲刷趋势,堤头上游绕流后的边界冲刷在整个冲刷过程中始终剧烈;进占长度对水流冲刷偏移效应产生影响,在B/H=5.8时剧烈淘刷区位于戗堤堤头上游的底部堤脚,但是在B/H=4.3时则位于裹头下游。双向进占时,水流沿龙口轴线对称分布;进占长度影响戗堤局部冲刷的剧烈程度。下潜水流和涡旋是造成戗堤局部冲刷的主要原因。     

破碎波作用下单桩基础局部冲刷试验研究

破碎波在近岸地区会引起剧烈的泥沙运动,导致破碎带内单桩基础发生局部冲刷,严重威胁单桩基础结构稳定性。该文在波浪水槽中采用中值粒径0.32mm的原型沙铺设平床沙坑,开展破碎波单桩冲刷试验,规则波经过坡度1:20的斜坡后,浅化破碎在矩形沙坑区域,分析桩基和破碎点的间距与波长之比α对单桩基础最大局部冲刷深度S_max及冲刷形态的影响。研究结果表明：破碎波翻卷产生湍流以及流动的纵向发展是引起冲刷的重要因素,使得相对距离α与最大冲刷深度S_max密切相关;沙床在破碎波作用下形成沙坝和滩槽结构,持续影响单桩局部冲刷的演变过程,当相对距离α=0.35～0.55时,由桩基引起的净冲刷最为显著,同时在滩槽地形叠加下,桩周的最大局部冲刷深度可达0.5倍桩径。     

水下淹没建筑物局部流场数值模拟及河床冲刷分析

采用二维沿水宽平均的水流数学模型对河流中淹没建筑物附近的流场进行了数值模拟。通过将水流在河底的剪应力与相同条件下Shields曲线对应的泥沙临界起动拖曳力做对比,判定河床冲刷与否。文中计算了当淹没建筑物对河道断面压缩比例不同时的流场,给出淹没建筑物下游局部漩涡范围、局部冲刷范围及根据临界剪应力判断的最大冲深部位。结果表明:计算得出的结论合乎规律;当淹没建筑物压缩河道比例小于50%时,在建筑物下游形成一个小范围的漩涡,不是河床冲刷的主因;随着压缩比逐渐增大,建筑物下游漩涡区也增大,由一个涡变化为两个涡,转变为河床冲刷的主要原因。     

桥墩基础施工河床局部冲刷研究

天然河流中水流受到建筑物的阻碍时，产生紊动涡旋，局部河床泥沙在水流紊动剪应力作用下起动，并被涡旋流带向下游，建筑物局部河床因此受到侵蚀而下降，形成局部冲刷坑。跨河大桥桥墩的局部冲刷就是如此。桥墩及其基础与水深或河床的相对位置影响着局部冲刷深度的发展。本文通过室内试验研究了桥墩下部钢围堰基础施工的相对高程对河床局部冲刷最大深度的影响，探讨了工后钢围堰顶部处于相对水深的不同高度时局部冲刷发展的规律，并将这些影响因素用墩形系数法计入局部冲刷深度计算中，给出了计算公式。本文的研究对目前跨江及跨海大尺度桥墩基础工程施工具有指导意义。     

波流作用下淹没圆柱局部冲深影响因素分析

淹没圆柱在海洋工程中运用广泛,局部冲刷对此类建筑物的安全有较大影响。为掌握该类型建筑物在波流作用下的冲刷特性,在波流水槽内开展了一系列试验研究。试验将圆柱模型安装在波流水槽中部的沙槽内,沙槽内铺设中值粒径0.22 mm的无黏性沙,形成平底海床。试验中圆柱处于淹没情况,改变入射波流条件,观测多种波流作用下,不同高度淹没圆柱周围的局部冲刷深度发展过程,分析了多种无量纲参数对局部冲刷深度的影响。结果表明:当KC数不变时,冲刷深度s/D随着相对流速U_cw和Fr的增大而增大,当Fr增大到一定程度时(Fr>0.80),冲刷深度s/D趋于稳定; U_cw在固定范围内时,冲刷深度s/D随KC数的增加而增加,增长速率逐渐变慢; 引入淹没因子K_s,得到了淹没圆柱与非淹没圆柱的冲刷深度计算关系式。     

冲刷条件下桩基础水平承载特性非线性分析

水域环境中的桩基础面临水流冲刷的威胁，水流冲刷将会引起基桩周围土体的流失，【目的】为研究冲刷对桩基础水平承载特性的影响，建立冲刷条件下桩基础水平承载特性简化分析方法。【方法】首先构建了桩周土体整体冲刷条件下的p-y曲线模型；然后基于p-y曲线法，采用有限差分法建立了冲刷条件下水平受荷桩非线性简化分析方法，对不同桩径、不同冲刷深度条件下桩基础水平承载特性进行计算分析，并与有限元结果对比验证了简化方法的正确性。【结果】结果显示：随着冲刷深度的增大，水平受荷桩的侧向刚度和水平承载力逐渐降低；相同水平荷载下随着冲刷深度的增加，桩顶水平位移和桩身最大弯矩逐渐增大，并且桩身最大弯矩所处位置逐渐向下移动。【结论】结果表明：水流冲刷引起基桩周围土体的流失将会对基桩水平承载特性产生显著影响，上述简化方法可为冲刷条件下水平受荷桩基的设计提供理论分析工具。     

当卡水电站下游局部冲刷三维数值模拟研究

为预测闸坝下游局部冲刷坑形态和发展,基于Fluent动网格技术对当卡水电站下游局部冲刷进行了三维数值模拟。采用VOF水-气界面追踪方法来处理闸坝下游冲刷坑内复杂的自由液面,将床面瞬时剪切应力作为泥沙起动及运输的水动力学条件,计算出不同方向上床底泥沙单宽体积输沙率,以此为基础得到河床高程坐标的瞬时变化;采用改进的泥沙起动临界剪切应力计算公式,有效地避免了床面坡度接近泥沙休止角时造成的输沙率数值计算的异常;采用弹簧光顺模型及局部网格重构模型实现了闸坝下游局部冲刷坑的三维演化过程。通过分析对比冲刷坑最终形态表明,数值模拟值与模型试验实测值吻合良好,说明数学模型计算准确,结果可信。     

河床预开挖对围堰上游桩基局部冲刷影响研究

桩基冲刷与水流、泥沙耦合作用密切相关,其局部冲刷深度直接影响结构物的安全稳定性。以某大桥深水基础为研究对象,构建并验证三维泥沙输移数学模型,量化分析河床有无预开挖条件下,围堰及上游桩基水流、泥沙运动规律。结果表明:河床无开挖条件下,围堰迎水面流速较小,直角端流速达到最大,后排桩基受前排桩基尾流及下游围堰阻水形成的反向流影响明显;河床预开挖后,围堰四周流速减小,挖槽有利于前端下降水流形成回流,挟沙能力减弱;上游桩基在预开挖条件下,桩基局部流速及冲刷深度均不同程度地减小,后排桩基最为明显,局部冲刷深度减小程度最大,达82.86%～85.07%。     

不规则波作用下墩柱周围局部冲刷研究

对相对柱径较大（0．15〈D／L〈0．5）的圆柱式结构物在不规则波作用下周围的局部冲刷情况，进行了多组试验研究，系统地研究了不规则波作用下圆柱周围地形的变化规律，试验中分别考虑了波浪的波高、周期、水深、泥沙粒径及圆柱直径等因素对圆柱周围局部冲刷地形的影响，分析了圆柱周围冲淤地形形成的机理，特别是对床面泥沙粒径因素进行了详细分析，认为波浪作用下圆柱周围冲刷深度与床面粒径并不成反比关系，而是在d50=0．18mm附近最小，在此基础上提出了不规则波作用下圆柱周围最大冲刷深度及其发生位置的计算公式。     

冲刷作用下单桩水平承载特性试验研究及数值模拟

为了掌握冲刷前后桩基础水平承载性能的变化规律,通过自行设计加工的水平加载装置,进行了一系列不同冲刷深度下的桩基室内模型试验,获得在不同水平荷载作用下桩头水平位移以及沿桩身的应变,掌握冲刷作用对桩基水平承载性能的影响。在此基础上,采用FLAC3D软件模拟单桩在水平荷载作用下的承载性能,并依据模型试验结果修正数值模型相应参数,获得能考虑冲刷作用影响的单桩计算模型。用该计算模型对冲刷角、桩顶固定方式和不同冲刷深度下单桩的水平承载力性状进行分析,得出如下结论:当冲刷深度小于1.5倍桩径时,水平极限承载力受冲刷影响较小;而当冲刷深度达到大于2倍桩径,小于8倍桩径时,水平极限承载力受冲刷影响较大,下降幅值达到80%;当冲刷深度继续增大,水平极限承载力下降趋于平缓;在一定的冲刷深度下,当冲刷范围变化时,桩基侧向承载力变化不明显;桩头固定有利于减小冲刷对桩基承载力的影响。     

基于Flow-3D的圆柱形桥墩局部冲刷大涡模拟

为预测圆柱形桥墩周围的局部冲刷坑形态和最大冲坑深度,基于Flow-3D软件的水动力学模块和泥沙输运模块对桥墩附近局部冲刷进行了三维数值模拟。以Melville冲刷试验为原型,采用LES大涡模拟方法,模拟了桥墩附近湍流流场。以床面瞬时切应力作为泥沙起动、输移条件,采用Van Rijn输沙率公式计算床面冲淤。采用FAVOR技术追踪河床形态变化,得到了桥墩附近局部冲刷形态。经实测资料验证,计算结果与模型实测的冲坑形态及最大冲坑深度基本吻合。     

考虑长径比及冲刷的单桩基础侧向承载特性分析

冲刷是海上风电单桩基础设计中需要考虑的重要因素，然而计算时通常忽略局部冲刷坑的几何形状及桩基入土段长径比（L/D）的影响，导致设计偏于保守。针对这一问题，建立考虑局部冲刷坑形态的海上风电桩基础三维有限元模型，研究冲刷作用下不同长径比桩基础的侧向承载特性变化规律，提出适用于受局部冲刷小长径比单桩基础的简化梁-弹簧分析模型并进行验证。研究结果表明：小长径比单桩基础的侧向响应对局部冲刷深度较为敏感。随着冲刷深度的增大，基底反力和桩侧垂向摩阻力等土反力分量对桩基水平承载力的贡献也随之增大，仅考虑桩侧土反力的传统API p-y曲线方法难以适用受冲刷单桩基础的计算分析，须考虑基底效应的影响。研究结果可为海上风电基础设计分析提供参考。     

梦山水库顺坝冲刷深度的计算与修正

顺坝冲刷深度是梦山水库除险加固工程设计中的关键参数之一,文章从工程实际出发,首先进行了顺坝冲刷深度的计算,分析了影响冲刷深度的因素,包括河道流量、水深、流速、泥沙粒径、泥沙级配、透水桩坝的设计、桩柱所承受的土压力及动水压力、冲击偏角等,最后在综合考虑各因素的基础上对该工程顺坝冲刷深度进行了修正。