海啸波作用下植被区海堤局部冲刷试验

近年来频发的海啸造成了沿岸建筑物周围剧烈的冲刷,而植物具有很好的减小海啸灾害的作用。采用PVC圆管概化模拟刚性植物,选取孤立波模拟海啸波,通过改变入射波高、植物带长度和密度、堤顶出水高度,研究植物对海啸波作用下海堤局部冲刷的影响,建立了海堤堤前冲刷坑、淤积沙坝、冲淤平衡点相对水平位置的尺度与植物带的长度和密度、波高、堤顶出水高度、泥沙比重以及岸滩坡度之间的关系式。试验结果表明:植物对海堤局部冲淤变化产生显著影响,植物带使得堤后近岸侧相对最大冲刷深度显著减小,堤前离岸侧冲刷位置由原堤脚处前移至植物带所在位置,冲刷范围大幅增加;堤前冲淤面积受入射波高和植物因素的共同影响,在同一植物模型下,冲刷坑面积和淤积沙坝面积都随入射波高的增大而增加;适当增大植物带密度,优化植物分布方式,可有效减弱海啸波对海堤的冲刷危害。     

透水桩坝前冲刷坑深度影响因素探讨

通过模型试验对透水桩坝前冲刷坑深度的影响因素进行研究.受透水桩坝前螺旋环流淘刷,坝前冲刷坑形状为一近乎平行于桩坝的长条状冲坑,与透水桩坝连线方向一致.在来流含沙量及床沙组成不变的情况下,最大冲刷坑深度一般出现在主流顶冲段或稍偏下游部位.透水桩坝的坝前最大冲刷坑深度主要与来流单宽流量、入流角、桩坝透水率等因素有关,其中单宽流量对冲刷坑深度的影响最大.通过试验实测资料进行回归分析,得到最大冲刷坑深度与来流条件之间的无量纲表达式.     

输沙率公式对桥墩局部冲刷数值模拟影响研究

基于Melville桥墩局部冲刷试验模型,采用FLOW-3D软件,利用大涡模拟方法模拟了桥墩绕流局部冲刷过程,通过分析冲刷坑形态、深度的变化过程,评价了Meyer-Peter和Van Rijn推移质输沙率公式在桥墩绕流局部冲刷模拟中的适用性,并结合两输沙率公式结构分析了模拟结果存在差异的原因。结果表明：大涡模拟方法能够有效模拟桥墩绕流的复杂流态,采用Meyer-Peter推移质输沙率公式的局部冲刷模拟结果较好,预测的冲刷坑形态更接近试验观测结果;当时间为30 min时,最大冲刷深度与试验观测结果相对误差为2.3%。采用Van Rijn推移质输沙率公式的预测结果相对较差,最大冲刷深度与试验观测结果相对误差为15.5%。     

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。     

潮流作用下桥墩局部冲刷研究

为明确潮流与恒定流条件下桥墩局部冲刷深度的关系,通过长时间序列潮流作用下桥墩的局部冲刷试验,观测不同特征参数的潮流条件下桥墩局部冲刷最深点的发展趋势,分析往复流造成的冲刷坑内泥沙反复冲淤对冲刷坑发展过程的影响,涨落潮最大流速和历时决定了冲坑的发展的速率和达到最大冲深的可能性,在潮流速度值较大或历时占优的情况下,将取得与恒定流一致的局部最大冲深。     

复合墩台局部冲刷试验研究

局部冲刷一直是冲积性河流中墩台失稳和水毁的主要原因,也一直是跨河工程可研与设计中需重点研究的问题。目前研究主要集中在单个墩台方面,对大型跨河工程复合墩台的局部冲刷研究较少。以长江苏通500kV过江电缆工程复合墩台为例,采用正态概化模型研究了复合墩台局部冲刷坑形态、范围及深度,阐明了局部冲刷的影响因素和规律。试验表明：大水深工况有利于复合墩台形成更大的局部冲刷坑,局部冲刷坑的相对长度、相对宽度和相对最大深度均与相对行近流速呈正相关关系。单墩比复合墩台相对冲刷深度要大,复合墩台相对最大冲刷深度与单墩相对最大冲刷深度的比值随相对行近流速增大而增大,范围在0.05～0.20。研究成果可为解决跨江大桥或电缆通道建设中的墩台局部冲刷问题提供参考。     

黄河下游在役桥梁群桩基础冲刷特性

为了探明黄河下游在役桥梁群桩基础的冲刷特性,对郑州刘江黄河公路大桥群桩基础进行了冲刷深度测试。测试结果表明:黄河河道展宽作用使得黄河水流对桥梁群桩基础的冲刷主要表现在侧向冲蚀,而非河道处为垂直向下冲刷,导致跨黄河桥梁群桩基础局部冲刷坑最大深度位置并没有全部出现在群桩迎水侧前方,而是部分出现在顺水流方向的侧面;黄河水流对跨黄河桥梁群桩基础冲刷作用最强烈的位置并不是主河道水深最深或水流流量最大的位置,而是在主河道两侧的位置;一般情况下,在顺水流方向,跨黄河桥梁群桩基础迎水侧冲刷深度大于背水侧,迎水侧的冲刷坑坑壁坡度较背水侧陡;群桩基础冲刷坑边缘大多数在距承台2.25倍桩径处;河道转弯对河床冲刷的影响较大,转弯外侧的河床冲刷更为严重,建议在设计中适当增大河道转弯外侧桩基的最大设计冲刷深度。     

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。     

海上风电桩基局部冲刷试验研究

风电桩基既承担风机自身荷载,又受到叶片转动的侧向压力,桩基稳定性至关重要。海上风电桩基不仅受潮汐双向水流和波浪共同作用的影响,而且桩基尺度介于通常的桥墩和码头桩基之间,局部冲刷具有一定特殊性。通过建立1∶60的正态模型,研究了洋口海域海上风电桩基在波浪、潮流及波流共同作用下的局部冲刷。结果表明:潮流是控制该海域桩基局部冲刷的主导因素;往复流作用下的冲刷坑形态呈椭圆形,最大冲刷深度约为恒定流的80%;当波流共同作用时,由于桩前波浪振荡水流的作用,泥沙较水流作用时更易起动,局部冲刷显著增强,最大冲刷深度为潮流和恒定流作用下的2.0与1.7倍;韩海骞公式计算值按照系数0.75折算后与波流作用下的桩基冲刷深度试验值较为吻合。根据试验结果,建议对桩基周边局部冲刷坑进行抛石防护,确保海上风机的安全稳定。     

乌牛新闸下游冲刷模型试验及经验公式适用性

针对乌牛新闸闸下冲刷问题,建立水闸物理模型并观测闸下冲刷坑的形成及发展过程,研究冲刷坑位置及深度随时间的变化规律,并将试验成果与两种常用的冲刷公式计算结果进行对比分析,探索了冲刷公式在平原地区淤泥土质中的适用性。结果表明:当下游潮位较低时,过闸水流在防冲槽末端形成跌流,水流翻滚剧烈,对下游河道冲刷明显;随着汇合口河道地形的长期冲刷,汇合口附近的水跃逐渐消失;随着时间加长,冲刷坑位置整体有所下移,冲刷深度从快速增大逐渐趋于稳定;在平原地区淤泥土质中,毛昶熙公式计算的闸下最大冲刷深度与试验成果较为一致,具有较好的适用性。     

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。     

Scour around submarine pipes due to high-amplitude transient waves

Estimation of scour dimensions below submarine pipelines is a vital step in designing offshore infrastructure. Extreme events like tsunami waves produce strong erosive forces below the underwater pipes, apt to create scour holes, jeopardizing the safety of the structure. Despite the importance of this issue, previous studies have mainly focused on steady flow cases, and the scour pattern below submarine pipes induced by high-amplitude transient waves has rarely been investigated. This paper reports the results of 40 experimental runs on transient wave-induced scour below a model pipe in a laboratory flume under a variety of initial conditions. The variables included the bed particle size and gradation,initial water depth, wave height, and slope of the bed layer. Waves were generated by a sudden release of water from a sluice gate, installed in the middle of the flume. A pressure transducer data acquisition system was used to record the wave heights at different time steps. The results indicate that, with a shallower initial depth of flow, the scour depth is relatively large. It was also found that there exists a direct correlation between the induced wave height and the size of the scour hole. It was observed that, in clear water conditions, the size of the scour hole in coarse sediments is smaller, while in live-bed conditions, larger scour holes are created in coarser sediments. It was also observed that at high wave amplitudes, the live-bed conditions are dominant, and consequently the bed elevation is altered.     

LOCAL SCOUR AROUND A LARGE-SCALE VERTICAL CIRCULAR CYLINDER DUE TO COMBINED WAVE-CURRENT ACTION

The local scour around a large scale vertical circular cylinder due to combined wave-current action was experimentally and numerically studied in the present paper. Experiments were carried out to research the affect of the wave height, current velocity and the diameter of the cylinder on the scour process. The topography near the cylinder in various cases during scour was measured. The cylinder diameter affects the distribution of scour and deposition area. The maximum scour depth increases evidently when the current velocity increases, The maximum scour depth does not increase after the wave height retains a certain value. A numerical model using a finite element method for simulating the scour process was established. And the numerical results agree well with the measured data. The numerical model is more applicable in the case of large-scale cylinders.     

AN EXPERIMENTAL OBSERVATION OF A SOLITARY WAVE IMPINGE-MENT,RUN-UP AND OVERTOPPING ON A SEAWALL

A sequence of laboratory experiments using solitary waves was performed to model the effect of leading form of three types of tsunamis(a bore,an impinging wave and an overtopping wave)on a seawall on a sloping beach.The wave evolution process,impinging pressure along the seawall surface,total overtopping discharge behind the seawall and the maximum run-up height on the rear slope were measured and compared.Laboratory data were employed to re-examine relevant empirical formulae in the literature.The effect of the presence of the seawall in reducing maximum run-up height using the present setup was briefly discussed.The present data can be used for calibrating numerical and mathematical models.     

波流作用的近岸圆柱局部床面侵蚀

波浪流对近岸浅水带床面作用强烈,该区域结构物局部床面侵蚀显著,潜存致灾威胁。用三维数值方法研究了瞬态孤立波作用下非黏性沙海床上的近岸圆柱体局部冲刷规律,分析了波浪流冲刷的3类主要影响要素,讨论了近岸地形条件影响下的波流冲刷深度。研究认为,表征浅水波流特征和柱体尺度的无量纲数Urp与KC数存在非独立关系,二者均能分别反映波流冲刷的主要规律;表示泥沙运动的力学参数Shields数在波流动床条件下仍对柱体局部冲刷有贡献;近岸地形通过床面坡度对波破碎的增强及堤岸挡墙对波浪的反射,都会影响到局部冲刷。     

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。     

NUMERICAL SIMULATION OF SOLITARY WAVE RUN-UP AND OVER-TOPPING USING BOUSSINESQ-TYPE MODEL

In this article,the use of a high-order Boussinesq-type model and sets of laboratory experiments in a large scale flume of breaking solitary waves climbing up slopes with two inclinations are presented to study the shoreline behavior of breaking and non-breaking solitary waves on plane slopes.The scale effect on run-up height is briefly discussed.The model simulation capability is well validated against the available laboratory data and present experiments.Then,serial numerical tests are conducted to study the shoreline motion correlated with the effects of beach slope and wave nonlinearity for breaking and non-breaking waves.The empirical formula proposed by Hsiao et al.for predicting the maximum run-up height of a breaking solitary wave on plane slopes with a wide range of slope inclinations is confirmed to be cautious.Furthermore,solitary waves impacting and overtopping an impermeable sloping seawall at various water depths are investigated.Laboratory data of run-up height,shoreline motion,free surface elevation and overtopping discharge are presented.Comparisons of run-up,run-down,shoreline trajectory and wave overtopping discharge are made.A fairly good agreement is seen between numerical results and experimental data.It elucidates that the present depth-integrated model can be used as an efficient tool for predicting a wide spectrum of coastal problems.     

不同护坡条件下波浪溢流海堤内坡水动力特征

波浪溢流指强风暴潮引起堤前水位超过堤顶,海堤受到的越浪与溢流联合作用。波浪溢流一旦发生,极易引起大范围的海堤内坡侵蚀乃至溃堤,产生灾难性后果。基于1:1的大型水槽试验,分析了波浪溢流过程中不同海堤内坡护坡条件下(碾压混凝土、铰接式护坡砖和高性能加筋草皮)海堤内坡水力学特征;建立了相应的内坡平均水深和平均流速计算模型,计算结果表明波浪溢流过程中海堤内坡上的波高分布仍符合瑞利分布,并分析了内坡上的特征波高和特征峰值水深之间的换算关系;提出了波浪溢流过程中海堤内坡上的均方根波高和波速经验计算式。