黄河下游重塑黏性土抗冲特性试验

黄河下游河床存在典型的分层结构,不同部位对水流抗冲性不同,抗冲性极强的"胶泥层"对河势演变具有重大影响。通过对黄河下游花园口附近黏性土进行取样,开展了黄河下游河岸黏性土起动冲刷的水槽试验。分析了起动切应力随干密度的变化情况,建立了干密度、含水率与淤积历时的关系,拟合了黏性土侵蚀系数与起动切应力的关系式,结果表明:黏性土起动切应力随干密度的增大而增大,两者呈幂函数关系;当淤积历时较短时,黏性土干密度(含水率)随淤积历时的增大而增大(减小),两者呈对数函数(指数函数)关系;黏性土侵蚀系数随起动切应力的增大而减小,两者呈幂函数关系;同时研究发现,黏性土起动切应力与黏粒含量相关,相同干密度条件下,黏粒含量越高起动切应力越大;黏性土侵蚀系数与该土体的黏粒含量、土体结构相关,黏粒含量越高侵蚀系数越小,相应的其抗冲性越强。     

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。     

人工填筑黏性土起动冲刷特性试验

为了研究人工填筑黏性土起动和冲刷特性,采用资料分析和试验相结合的方法,研究人工填筑黏性土的起动冲刷特性。根据试验资料,结合力学特性确定影响人工填筑黏性土起动冲刷的主要因素;根据试验结果分析人工填筑黏性土起动切应力、冲刷率分别与各自的影响因素之间的对应关系,提出了量纲和谐的起动切应力和冲刷率的公式,运用多元线性回归方法确定了公式中的系数和指数,并分析比较了人工填筑黏性土和黏性泥沙起动和冲刷特性。结果表明:人工填筑黏性土的黏结力比自然淤积固结的黏性泥沙大得多,较难起动和冲刷,需要较大的水流切应力;干密度对自然淤积黏性泥沙冲刷率影响比对人工填筑黏性土要大。     

重塑粗粒土-黏性土混合物冲刷特性研究

针对粗粒土-黏性土混合物的冲刷特性与无黏性土、黏性土的不同,采用冲刷函数测定仪对三种重塑粗粒土-粉质黏土混合物进行了冲刷特性试验研究,分析了不同粉质黏土含量情况下三种混合土体冲刷速率和起动切应力的变化规律,根据冲刷速率和起动切应力的取值确定了三种混合土体临界黏性颗粒含量的范围。随黏性颗粒含量的增加混合土体的冲刷行为逐渐由无黏性变为黏性,基于这一特点,提出冲刷黏性度的概念,作为衡量混合土体是否具有黏性冲刷行为的度量,考虑无黏性颗粒粒径和黏粒含量对混合土体冲刷特性的影响,给出冲刷黏性度表达式,根据本文冲刷试验数据确定了表达式参数的取值,通过已有其他试验数据,验证了冲刷黏性度表达式的合理性和准确性。     

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。     

黄河下游桥渡冲刷计算问题探讨

对现行规范推荐公式用于黄河下游桥渡冲刷计算存在的问题进行了探讨.结果表明:现行规范推荐的桥渡冲刷公式存在理论基础薄弱、适应性差等缺陷;进行非黏性土河床桥渡一般冲刷计算时,参量选取的任意性或人为性较大,受初始断面形态尤其是河槽最大水深的影响过大,不能反映水流泥沙条件变化对桥渡冲刷的影响,甚至不考虑河床组成的影响;进行非黏性土河床桥渡局部冲刷深度计算时,选用的泥沙起动流速公式使计算的桥墩局部冲刷深度偏大较多,且在概念上反映不出一般冲刷与局部冲刷的关联影响;采用黏性土河床桥渡冲刷公式计算时,因液性指数取值的人为性很大,故使计算的冲刷深度变化较大.为克服现行规范推荐公式的局限性,建议引用由输沙平衡原理建立的最大冲刷水深公式及黄河桥渡冲刷公式进行复核计算,并采用模型试验等手段进行验证.     

砂卵石河流粗化完成后细沙补给对河床阻力的影响

结合Venditti关于细沙补给对河床活动性影响的分析,引用修正后的Einstein-Barbarossa方法对河床阻力进行划分,探讨了细沙补给对砂卵石河流冲刷粗化完成后河床阻力变化的影响。研究结果表明:在一定量细沙补给的条件下,沙粒阻力与床面阻力的比值先减小后增大,形状阻力与床面阻力的比值先增大后减小;水流克服表面阻力损失的能量随沙粒阻力减小而减少,进一步导致水流损失的机械能减小,河床上大颗粒泥沙获得的能量增大进而导致其活动性增强;河床上活动的泥沙颗粒与裸露大颗粒泥沙之间不断接触碰撞形成局部能量交换,裸露大颗粒泥沙通过水流方向的动量交换所产生的颗粒剪应力增大,这可能也是河床上大颗粒泥沙活动性增强的一个原因。     

局部冲刷坑发展过程的泥沙输运特性

为揭示水流作用下沙质河床结构物周围床面冲刷过程中的泥沙输运特性,采用三维紊流、考虑推移质和悬移质运动的河床变形数值模拟,研究了清水冲刷和动床冲刷条件下,墩柱型结构物局部冲刷过程中悬移质和推移质泥沙输运贡献及其与马蹄涡流特征量、床面切应力以及泥沙悬浮指数的相关性。研究发现,清水冲刷条件下,悬移质输运占比较小,推移质泥沙输运占优;动床冲刷条件下,悬移质输运的贡献随悬浮指数的减小迅速增大;冲刷过程中悬移质和推移质输沙率与床面切应力变化趋势一致,结构物周围局部切应力的大小与马蹄涡涡量呈正相关关系。     

非均质河床双排桥墩局部冲刷数值模拟研究

精确模拟山区河流非均匀沙质河床桥墩的局部冲刷对桥梁设计和安全运行具有重要的意义。以黑石渡大桥河床床沙特征为背景,采用Flow3D软件开展非均匀沙质河床上双排圆柱形桥墩冲刷三维数值模拟研究。为考虑河床非均匀泥沙的悬移质运动、泥沙挟带、推移质输运等过程,在数值模拟过程中,根据非均匀沙质河床的颗粒分布曲线,对所筛取的各个级配范围内的颗粒采用其对应的中值粒径来表征。模拟得到了双柱排桥墩局部流场结构、河床的冲淤变化和上下游桥墩周围冲刷坑形态。研究表明:受桥墩阻水作用影响,墩前壅水、墩后跌水现象明显。墩周冲刷坑基本贯通整个墩周区域,受上游墩保护作用影响,下游墩冲刷坑的发育深度和规模小于上游墩。将数值模拟结果与试验结果进行了对比分析,二者吻合较好。研究成果可为深入开展非均匀沙质河床桥墩局部冲刷研究提供参考。     

刘家峡水库变动回水区河床质泥沙粒径分布

根据刘家峡水库变动回水区的河段地形特征和历年河床质泥沙粒径级配资料,分析了变动回水区河段淤积和冲刷时,河床质泥沙中值粒径的沿程变化和历年河床质泥沙中值粒径变化过程,并指出粒径分布由粗变细的转折点在变动回水区寺沟峡峡口处.