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。     

后石电厂排水口冲刷及其防护块体稳定试验研究

电厂排水口水域底床的稳定是电厂排水基础结构安全的保障,通过排水口水域局部动床冲刷以及排水口防护块体稳定模型试验,研究后石电厂排水海域泥沙冲刷及其防护块体稳定问题.排水口冲刷试验结果表明,不同水位下2个排水口满负荷排水时,排水口区域会出现冲坑、冲沟,排水明渠隔堤堤头外50 m左右海床范围内为严重冲刷区,最大相对冲深可达9.0 m.防护块体稳定试验结果表明,满负荷排水流量条件下,在排水口水域采用一定粒径组合的抛石防护工程措施,块石可以达到稳定状态.最终得出的优化方案为:在排水明渠口外50 m范围内采用直径40cm左右的块石防护,50～100m范围内采用直径为20cm左右的块石防护.     

洋口港LNG码头栈桥沿程桩基局部冲刷分析

洋口港LNG码头栈桥工程位于西太阳沙人工岛东北侧海域,水流条件复杂,海床泥沙活动性强,LNG栈桥建成后沿程桩基周围即产生不同规模的冲刷坑.通过对比栈桥建设前后海床地形变化,分析了桩基冲刷坑形成、发展过程.结合工程海域水沙动力环境,阐明了桩基冲刷坑分布规律、原因,总结出强潮流粉沙质海岸工程建设所引起的局部冲刷一般规律.研究结果表明:LNG栈桥沿程桩基冲刷形态分布与涨、落潮优势密切相关,而冲刷范围与强度则受流速大小和桩基规模的影响.冲刷坑早期发展迅速,在平面形态基本稳定后仍有进一步冲深的可能,应采取适当的工程护底防护措施.     

黄河三角洲孤东近岸海床冲刷平衡深度预判

近年来,在流域来水来沙减少和河口尾闾不断改道变迁的情势下,黄河三角洲除现行河口口门附近外,其他区域都表现出不同程度的侵蚀。孤东海岸是黄河三角洲侵蚀最强烈的区域,海床冲刷演变过程与冲刷动力机制被广泛关注,但其冲刷平衡深度及冲刷极限深度却一直没有定论。基于尖点突变理论,针对近岸泥沙运动特征,推导出海床冲刷平衡深度预判公式;通过预判公式计算得到孤东近海海床冲刷平衡深度为6.5～7.5 m,与海岸剖面演变过程分析得到的冲刷极限深度6.8～7.2 m一致,证明了泥沙突变模型在预测海床冲刷中的适用性。预判结果表明：孤东海岸堤前海床还将持续冲刷2 m左右,加强海堤防护工程日常维护十分必要。     

东方电厂配套码头在波流共同作用下的动床泥沙模型研究

东方电厂南防波堤外侧100 m左右有一条平行于堤的水下天然气管线。防波堤的建设将改变附近海域的潮流场,引起堤外侧海滩滩面发生冲淤变化。通过建立波流共同作用下的动床泥沙模型,进行了常年水文条件和极端水文条件下的试验研究,分析了防波堤的建设对天然气管线所在位置的冲淤影响,以及防波堤堤前冲刷,提出了相应的防护工程措施。     

截流戗堤单向进占的局部冲刷三维数值模拟

戗堤截流主要在河道截流和堤坝溃口封堵等水利和防洪减灾工程中得到应用,戗堤周围的水力冲刷直接影响工程的安全性。由于戗堤进占过程表现出较强的三维非恒定性,因此目前采用三维数值模型全面细致地模拟进占过程中戗堤周围的三维水流结构和冲刷特性较少。该文基于有限体积法和非结构化的计算网格构建了以水动力学模型、泥沙冲淤和河床变形方程为基础的三维局部冲刷数值模型,从室内明渠截流工程实验中得到的龙口平均流速、上下游水位落差、底床切应力分布与地形变化的关系等结果验证了数值模型的可靠性。利用该数值模型模拟了截流戗堤单向进占方式下不同进占长度时戗堤附近和龙口处的三维水流特性,以及戗堤周围局部冲刷地形的发展。通过分析水流特性与冲刷坑发展的关系,阐述了戗堤周围局部冲刷的物理成因。研究结果表明:涡旋和下潜水流是戗堤附近河床剧烈淘刷的主要原因;单向进占时戗堤对水流具有偏移效应;在初始阶段,冲刷趋势表现为沿堤头的上游至裹头下游形成的斜向轴线冲刷;在冲刷发展过程中,龙口中部出现泥沙淤积,主要冲刷区位于戗堤和裹头绕流后的底床。研究成果进一步表明数值仿真技术可应用于工程截流实践中,能预测截流中可能出现严重堤脚淘刷的位置与趋势。     

杭州湾南岸电厂取水口海区泥沙冲淤分析

杭州湾南岸电厂取水口所在海床的冲淤情势是取水口高程设置和电厂安全运行需要考虑的核心要素。基于工程海区不同历史时期的地形资料,结合水沙运动规律、人类活动和二维潮流泥沙数学模型计算,分析了工程海区海床演变规律和趋势。结果表明:工程所在海床属于杭州湾南岸滩涂的一部分,摒弃围垦引起的短期冲刷效应,海床长期处于缓慢淤涨态势,淤积速率约0.04 m/a;沿岸潮流的输沙作用以及围填海等人类活动是海床淤涨的主因。工程建设后,取水口区域仍将保持淤积态势,周边规划工程亦将使取水口床面区域产生0.2 m左右的淤积。研究成果可为取水口方案的确定提供理论依据和数据支撑。     

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...     

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。     

杭州湾跨海大桥海中平台区海床冲刷特性

杭州湾跨海大桥海中平台位于杭州湾大桥中间位置,海中平台下部群桩结构与平台上游各系列匝道墩、大桥主墩形成了复杂的墩群结构,受其影响,海中平台区域海床冲刷较为剧烈。为深入了解海中平台区海床冲刷特性,应用多年实测地形测量资料,对海中平台区的海床地形特征、建桥前后海床冲淤变化规律进行了分析,研究各匝道墩最低冲刷高程分布,并应用数值计算模型分析了海中平台区的水动力分布特征,揭示了匝道墩海床冲刷机理。研究发现,与建桥前相比,海中平台区大桥轴线上游500 m~下游1 000 m范围内海床发生整体一般冲刷,在海中平台南北两侧,受局部绕流影响,产生明显的局部冲刷,最大冲刷达14 m。平台南北两侧向上游延伸的局部冲刷槽影响到平台上游的匝道墩,导致部分匝道墩附近海床高程普遍较低。整体来看,位于桥轴线上游的ZB和ZC系列匝道墩因受到海中平台绕流及主墩绕流的叠加影响,导致其最低海床高程明显低于位于桥轴线下游的ZD和ZE系列匝道墩,各匝道墩最低海床高程与涨潮流流速大小具有一定的相关性。     

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.     

长江口河段柔性护滩结构周边河床冲刷形态分析

近年来软体排型式的柔性护滩结构在长江中下游水利工程及航道整治工程中得到广泛应用.此类工程实施后,其外缘通常会产生不同形态的冲刷坑.为研究总结分析此类问题,以长江口深水航道治理工程及其上延工程中的固定断面监测资料为基础,对长江中下游及河口地区软体排及其相关配套工程实施后,软体排外缘的实际冲刷情况进行了梳理.尝试根据引起局部冲刷的动力原因,将冲刷坑形态分为沿软体排冲刷槽、绕流冲刷坑和跌流冲刷坑,并具体分析了不同形态冲刷坑的特征及演变过程.     

钩环式护圈对冰盖下桥墩局部冲刷影响的试验研究

基于桥墩局部冲刷原理,在水平护圈防冲措施的基础上,设计了一种能改变桥墩周围水流流态的新型防冲设施—钩环式护圈。为探究钩环式护圈对圆柱形桥墩局部冲刷的防护效果,采用不同形状的钩环式护圈进行室内物理模型试验,分析了桥墩周围的冲刷特征和水力特性。试验结果表明：当钩环式护圈的高度为1 cm、角度为135°且安装在床面时,防护效果最好;与光墩相比,桥墩安装钩环式护圈后,最大冲刷深度最多可减小62.2%,桥墩底部垂向流速、垂向紊动强度均明显减小。通过多元回归分析建立了计算桥墩周围无量纲最大冲刷深度的经验方程,该方程对明流和冰盖条件下水流均适用。     

模型桥墩局部冲刷瞬时地形数据自动获取装备研制

模型试验中冲刷地形测绘装备相对落后,致使桥墩周围局部冲刷瞬时地形数据无法实时获取,冲刷动态发展过程及机理的模型试验研究工作难以开展。研制了一种模型桥墩局部冲刷瞬时地形数据等值线自动绘制装备,并利用室内水工模型试验优化了各组成的性能指标,量化了绘制装备的设计参数,分析了监测系统在模型应用中的测绘精度及在工程原型中的适用性。模型试验研究表明,该装备结构简单,操作方便,加工制作成本较低,精度及灵敏性较高,能够快速获取动态过程中局部冲刷瞬时地形等值线,适用于局部冲刷发展影响流场特性研究中的水下地形快速测绘,也可按放大比尺制作成型后应用于涉水建筑物周围水下地形监测。     

跨海桥梁基础冲刷特征研究

在我国近海海域,跨海桥梁基础冲刷是影响大桥安全的重要因素之一。基于金塘大桥2014、2015和2017年桥墩基础冲刷实测资料,并结合建桥前地形测验资料进行了案例分析,解析出了往复潮流条件下桥墩基础的一般冲刷及局部冲刷深度,金塘大桥中引桥桥墩一般冲刷深度为3.3~3.6 m,平均局部冲刷深度约8.3 m。往复潮流条件下桥墩基础局部冲刷坑受双向潮流影响向上下游延伸,形状呈椭圆形,各墩冲刷坑纵向长度与最大局部冲刷深度呈近似线性关系,长度约为局部冲刷深度的10~12倍,而各墩冲刷坑横向宽度则基本一致,约为桥墩基础宽度的4~5倍,与最大局部冲刷深度无明显相关性。跨海桥梁基础冲刷深度计算方法及冲刷坑形态特征的研究成果可供跨海大桥基础设计、运行维护及基础冲刷防护参考。     

多沙河流中群桩塔基局部冲刷平面尺度模型试验研究

局部冲刷平面尺度是对塔基附近可能受冲床面进行精准防护的指导依据,也是预测群桩局部冲刷结果的重要组成部分。结合泥沙运动学理论,根据试验观察分析规则分布的群桩局部冲刷平面形态演变及其干扰因素,提出了一个可综合反映水流强度与塔基结构影响的局部冲刷强度指标。在此基础上,采用物理模型试验方法,通过统计不同强度指标下的塔基局部冲刷平面结果,回归分析得到了二者之间的相关关系。最后,采用黄河下游两组工程实例对局部冲刷平面尺度关系式进行了试验验证。其结果表明,拟合公式的计算值与实测值比较符合,误差不大于10%,可为多沙河流中规则分布群桩塔基周围的床面防护提供参考。     

斜交塔基局部冲刷规律研究

塔基(桥墩)的局部冲刷问题是跨河工程规划、设计中需考虑的重要课题。受限于地形、地质、经济条件等因素,斜交塔基(桥墩)逐渐用于跨河工程中。然而,目前研究侧重正交塔基(桥墩)的局部冲刷问题,对斜交塔基局部冲刷规律研究较少,因此,以某斜交塔基工程为例,通过概化模型试验研究了斜交塔基的局部冲刷规律。研究结果表明:与正交塔基相比,斜交塔基偏向侧流速增幅大于塔基背向侧流速;冲刷坑最大冲刷深度较大,且最大冲刷位置位于塔基偏向侧;冲刷坑呈不对称的马蹄形,且塔基偏向侧冲刷范围大于背向侧;塔基防护后,以上趋势减弱。研究成果为解决跨江大桥或电缆通道建设中的斜交塔基局部冲刷问题提供了参考借鉴。     

佛山高明大桥桥墩基础冲刷防护水力数值模拟研究

受采砂等人类活动影响,高明大桥附近河床下切幅度达10 m,威胁到大桥安全与稳定。该文在分析桥墩附近河床冲刷现状及床沙特性的基础上,通过建立桥址附近河道平面二维水流数学模型,结合经验公式进行桥墩局部冲刷水力计算,预测桥墩局部冲刷坑范围和趋势,据此提出桥墩抛石防护方案,包括防护范围、块石粒径、抛石厚度等。经汛后检测,冲刷防护措施效果较好,可为珠江三角洲类似大桥冲刷防护工程应用提供参考。     

鄂北地区水资源配置工程夹河套段倒虹吸防护研究

针对鄂北地区水资源配置工程的唐白河夹河套段倒虹吸工程防护问题,建立了唐河、白河一维及夹河套区域二维水动力学耦合模型,综合考虑溃堤和漫堤等多种极端不利因素,计算分析了不同设计洪水标准下唐河和白河堤防溃决、漫溢等条件下的洪水影响范围及程度。选择最不利方案进行了无防护和有防护等不同情况下的物理模型冲刷试验,研究溃漫堤洪水对工程线路的冲刷影响。数学模型计算成果表明:溃堤洪水大流速主要分布在溃口附近区域,溃口位于工程线路附近时对工程的冲刷影响较严重。综合数学模型计算和物理模型试验结果,根据格栅石笼的冲刷变形程度及范围、冲刷坑范围及抗冲流速影响范围,确定了工程沿线不同的防护等级与范围,为夹河套倒虹吸工程防护方案设计提供支撑和依据。