单向流作用下黏土中单桩基础冲刷试验研究

我国东南海域广泛分布黏土海床,针对单向流作用下黏土海床中单桩基础的局部冲刷问题,开展了5组不同水深和流速的室内水槽试验,并通过在模型桩内布设摄像头,实时监测捕捉桩周冲刷深度随时间的变化特征,分析黏土中单桩局部冲刷发展规律.结果 表明:黏土冲刷的稳定时间与砂土冲刷相类似,冲刷坑的形状发展也较为相似,但是黏土海床冲刷坑的底...     

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。     

往复流作用下海底管线冲刷模拟研究

海底管线冲刷悬空是诱发管道涡激振动破坏的一个主要原因。为更好地对管线冲刷悬空情况进行评估,本文应用水动力-泥沙冲刷耦合模型,对往复潮流作用淤泥质海床海底管线局部冲刷过程进行了模拟研究,模型采用标准k-ε紊流方程对N-S方程进行封闭,控制方程采用有限差分法进行离散,模拟结果表明,双向潮流作用下,管道局部冲刷轮廓基本呈现对称状态,其最大冲刷深度位置因水流流速的转向而有所摆动,往复流引起的冲刷深度较恒定流情况减小约20%左右。     

冰盖下桥墩局部最大冲刷深度试验研究

冬季寒冷的北方河流易形成冰盖或冰塞,冰盖的存在对桥墩附近局部冲刷产生影响。在清水冲刷条件下,试验研究了有无冰盖条件下,不同流速和水深对桥墩附近局部冲刷的影响。研究结果表明：对比明流条件,冰盖的存在导致更大的近底流速和近底流速梯度,从而桥墩局部最大冲刷深度更大;其它条件相同的情况下,随流速的增大,桥墩局部最大冲刷深度增大;随着桥墩墩径增大,桥墩局部最大冲刷深度增加;水深增加时桥墩局部最大冲刷深度相对减小。根据试验数据,给出了有冰盖条件下桥墩局部最大冲刷深度的计算公式,与国内外相关试验数据吻合较好。     

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。     

模袋浮板对管道冲刷的防护效果分析

为验证将新型冲刷防护装置“模袋浮板”运用于管道冲刷的防护效果,建立了主流-渗流耦合模型,模拟单向流作用下管道附近的主流场和渗流场,验证了模袋浮板装置的有效性,研究了模袋浮板装置各设计参数对防护效果的影响。模拟结果显示,安装在管道上游的模袋浮板能显著降低管道附近的水流流速,降低土体中的渗流水头梯度,使管道受到有效保护。土体中的渗流水头梯度随浮板倾角的增大而减小,随悬空高度比的增大而增大,随浮板高度的增大而减小。渗流水头梯度与模袋浮板的有效高度呈非线性负相关关系,当有效高度超过临界值时,管道下方出现与主流方向相反的渗流。     

并线桥墩局部冲刷试验研究

针对并线桥墩在多沙河流上的局部冲刷问题,采用1:100正态模型水槽对桥梁平面正交在不同形状、上下游不同桥梁间距的桥墩布置进行了系列试验研究,对上下游桥墩在不同水流强度、不同桥梁间距条件下的局部冲刷过程进行系统观测和分析。结果表明,桥墩并线时,桥墩周围水流流态较为复杂,受上游墩阻水绕流影响,下游墩周围水流紊动强度减小,流速减弱。当上下游桥墩距离较近时,上下游桥墩局部冲刷坑深度均小于相应单独桥墩,下游桥墩冲深小于上游桥墩冲深,这种差异随桥梁间距的增大而逐步减弱。随着水流强度及桥墩尺度的增大,下游桥墩不受上游桥墩影响的距离相应增大,当流速为2 m/s、墩径为2~8 m时,其影响距离约为350~660 m。     

护滩带边缘局部冲刷深度计算公式初步研究

长江航道整治工程广泛采用软体排护滩,简称护滩带,当护滩带边缘压载结构不同时,边缘外的局部冲刷会发生变化。采用水槽试验的方法,研究了不同压载体护滩带边缘的局部冲刷规律。研究发现,护滩带边缘冲刷深度随水流流速与泥沙起动流速之比的增加而增大;当排体外不铺设压载体时,排体上压载体透水率越大,局部冲刷深度也越大;当排体外铺设压载体时,局部冲刷深度随压载体铺设宽度的增大呈先减小,后变化不大的特点;当排体上压载体结构和排体外压载宽度相同时,排体外压载体透水率越大,局部冲刷深度也越大。依据试验资料,选取反映水流、河床及压载结构条件的因子,建立了具有一定精度的计算排体护滩带边缘局部冲刷深度的经验公式。     

鱼雷锚贯入土体过程数值分析

鱼雷锚主要应用于采用紧绷式锚泊系统的浮动式采油平台中。采用LS-DYNA软件针对质量为40 t的鱼雷锚以一定冲击速度贯入海床土体的过程进行了数值分析。主要考虑鱼雷锚长径比(L/D)、冲击速度、海床土体的c、φ等参数变化对鱼雷锚贯入过程影响。计算结果表明,鱼雷锚贯入海床土体的过程为快速过程,总历时极短(秒级),贯入过程可分为加速与减速两个阶段,其中减速阶段历时较长。贯入阻力随贯入深度增加而增大至峰值,当速度接近零时,贯入阻力出现陡降,最终贯入阻力(静阻力)与鱼雷锚重力平衡。随着冲击速度增加,贯入深度相应增大,且两者具有较好的线性关系。当冲击速度不变时,贯入深度随L/D增加而增大。海床土体强度参数c、φ的变化对鱼雷锚的贯入过程具有重要影响,随强度参数增加,贯入深度相应减小。更多还原     

河床中值粒径对桥墩冲刷坑演化过程的影响

桥墩的局部冲刷导致河床形态变化和桥墩基础埋深减小是桥梁水毁的主要原因。在大涡模拟(Large Eddy Simulation,LES)的基础上结合水流运动方程和泥沙运动的动理学理论系统地对桥墩基础处的水流冲刷问题进行全时段全方位的三维数值模拟。得到了桥墩基础处的湍流流场流线图及河床形态变化的高程图。重点研究了水流流速和河床颗粒中值粒径对桥墩周边局部冲刷的影响。结果表明:冲刷坑的深度随着初始流速的增大而增加,且冲刷坑形成速度加快;冲刷坑的深度随着河床颗粒中值粒径的减小而增大,但是当颗粒的中值粒径小到一定程度时,由于泥沙颗粒之间的黏聚力增大导致冲刷坑的深度反而减小。     

不同透水率对水力插板透水丁坝防冲促淤效果的试验研究

水力插板透水丁坝新型护岸结构的提出提高了新疆粉细沙河床上治河工程的防洪护岸效益。本文为了探讨透水率对水力插板透水丁坝防冲促淤效果的影响,利用动床模型水槽试验研究了水力插板透水丁坝缓流效果、局部冲刷及坝后最大淤积高度随透水率的变化规律,为透水率这个重要工程设计参数的合理选取提供理论依据。试验结果表明:水力插板透水丁坝坝后流速的减缓效果明显,且透水率对坝后流速的影响较小;坝头最大冲刷深度随着透水率的增大而变小;坝后最大淤积高度随透水率的增加先增加后减小;当透水率为30%左右时,水力插板透水丁坝的防冲促淤效果达到最佳。     

桥墩振动对其局部冲刷的影响

为了探究桥墩振动对其局部冲刷的影响,以圆柱型桥墩为例,开展了不同泥沙底床条件下的振动桥墩局部冲刷水槽试验。结果表明,在振动载荷下,对于中值粒径分别为14.42μm、31.75μm和85.92μm的细颗粒底床,当振动强度从0增大至3.72,最大冲刷深度和最大冲刷半径均随之增大;中值粒径为14.42μm的泥沙底床最大冲刷深度增幅最大达910%,且粒径越大,增幅越小。对于中值粒径为260μm的粗颗粒底床,当振动强度从0增至2.31,最大冲刷深度降低了37.50%,而最大冲刷半径增加了38.37%。因此,桥墩的振动对其局部冲刷有着重要影响,且对细颗粒底床和粗颗粒底床的影响不同。桥墩振动导致有黏性的细颗粒泥沙发生流变从而加剧了其局部冲刷;而无黏性的粗颗粒泥沙受到振动作用而加密,其局部冲刷削弱。提出了考虑桥墩振动的局部冲刷深度计算公式,其理论计算值与实测值相对误差在±20%的数据达87.5%,能够为涉水桥梁基础埋深的设计提供更合理的计算依据。     

Numerical modeling of flow and scouring around a cofferdam

When planning river hydraulic structures, the analysis of the hydrodynamic and bed elevation change is of great importance, particularly the assessment of the scour depth around a cofferdam. In this study, the flow field variation and the corresponding scour depth was simulated using two-dimensional hydrodynamic analysis and a bed-load transport model. The hydrodynamic model used the streamlined upwind Petrov–Galerkin (SUPG) finite element scheme to solve the Reynolds-averaged turbulent flow equations. Based on the results of flow field analysis, the bed-load transport model was able to simulate the scour hole development, where it was shown that velocity gradients dramatically increase due to the existence of hydraulic structures. The applicability of the model was tested by simulating the velocity field and bed elevation changes around the cofferdam constructed during the Lock and Dam No. 26 replacement project in the Mississippi River. The model created in this study is able to estimate the maximum scour depth, determine the configuration of the cofferdam to suggest changes to reduce any local scour, and suggest if protection materials around the cofferdam are needed.     

Clear-water scour depth below underwater pipelines

The paper presents (1) a semi-theoretical model for the computation of maximum clear-water scour depth below underwater pipelines in uniform sediments under steady flow and (2) an experimental investigation on the influence of upward seepage on clear-water scour depth below underwater pipelines.Based on the “image method” of the potential flow theory for the flow through the gap between a circular pipeline and the scoured bed, a theoretical model is presented for the computation of maximum scour depth below underwater pipelines in clear-water condition considering the wall correction. Also, a simple theoretical calculation, that involves Chiew's (1991) [Chiew, Y.M., 1991. “Prediction of maximum scour depth at submarine pipelines.” J Hydraul Eng 117(4), 452–466] gap flow curve, is proposed to estimate the maximum scour depth considering the wall correction. The computed results agree satisfactorily with the experimental data. In addition, the potential predictors of the maximum scour depth given by different researchers are compared with the experimental data.The result of an experimental investigation on the scour depth below pipelines under the influence of upward seepage through the bed sediment is presented. In general, the scour depth below pipelines with upward seepage is smaller than that without seepage. There exists a critical value of the ratio of seepage velocity to main flow velocity that corresponds to a minimum scour depth.     

射阳港进港航道工程导堤堤头冲刷试验研究

采用潮流定床模型和局部动床模型,研究了射阳港进港航道工程潮流特征和导堤堤头冲刷问题。试验结果表明:工程区域内潮流特性发生显著变化,堤头扰流流速较大,悬沙分布和海床也相应变化,堤头海床会形成范围深度和较大的冲刷坑,设计防护设施坍塌,需对防护方案进行进一步优化,以确保建筑物结构的安全。     

裸露穿河管道在压重块保护下的冲刷特性

水流冲刷引起河床变形的不确定性对水下穿越管道的安全运行造成威胁.为了探究裸露穿河管道在压重块保护措施下的冲刷特性,通过水槽模型试验,研究压重块长度、压重块布置间距、水流流速、河道水深等因素对管道周围河床地形和冲刷深度的影响.试验结果表明:水下穿越管道在压重块保护措施下的冲刷过程可分为冲刷坑形成、压重块迎流侧悬空、管道迎...     

郑焦铁路黄河大桥桥墩局部冲刷试验研究

为了保证郑焦铁路黄河大桥桥梁基础安全,同时尽量避免桥梁基础因设计偏于安全而造成工程投资的增加,按单宽流量、河势以及桥墩防护的多种组合,开展了桥墩基础局部冲刷试验研究,分析了桥墩局部冲刷的水流现象、冲刷坑形态和冲刷深度。结果表明:局部冲刷最深点在承台下的桩群之间,略偏向桥轴线上游部位;墩后形成带状淤积体,淤积体随单宽流量的增大而增大。水流方向与桥轴线正交时,桥墩周围的局部冲刷坑形态基本沿桥墩轴线对称分布;水流方向与桥轴线法线存在夹角时,冲坑范围扩大、冲坑深度明显增深,桥墩两侧马蹄形旋涡不再对称分布。墩前抛石护底后,局部冲刷坑深度明显变浅。