河床墩台局部冲刷计算公式及其影响因素研究

在介绍国内外桥墩局部冲刷公式的基础上,以泰州长江公路大桥为例,验算了我国现行规范中的桥墩局部冲刷计算公式,分析局部冲刷的影响因素。结果表明:桥墩非黏性土冲刷公式中,65-1修正式计算结果较为合理;影响桥墩局部冲刷深度的因素有潮流作用和偏角大小。     

桥梁基础局部冲刷CFD模拟的研究进展

局部冲刷是涉水桥梁失效的主要原因之一。合理的桥梁基础局部冲刷估计，对保证桥梁基础的设计、施工和维护具有重要意义。基于CFD开展桥梁基础局部冲刷研究具有现场观测和水槽试验不具备的诸多优点。首先阐述了桥梁基础局部冲刷CFD模拟的控制方程、湍流模型和泥沙输运模型，以及报导的主要CFD模拟软件；介绍了国内外研究进展，总结了现有研究存在的不足，分析了其中的原因，探讨了局部冲刷CFD研究的发展方向。分析表明，现有CFD局部冲刷研究存在流动Re数过小、未考虑来流湍流特性或来流湍流特性估计不足、湍流模型对流动的非定常特性捕捉不足，以及采用经验性的定常流泥沙输运模型等问题，使得局部冲刷坑形态和最大深度估计与试验不符。一种有望解决上述问题的途径是采用大涡模拟数值求解欧拉-欧拉两相流方程，通过求解流体相和泥沙相的质量和动量方程，采用合适的泥沙相和流体相的压格子封闭模型，并合理模拟泥沙相内相互作用和泥沙相与流体相的相互作用，通过组合壁函数实现高效数值求解，以获得桥梁基础局部冲刷的合理估计，从而推动局部冲刷CFD模拟向大尺度模型和高流动Re数发展。     

圆柱形桥墩周围局部冲刷的三维数值模拟

为预测圆柱形桥墩周围的局部冲刷坑形态和发展,基于计算流体动力学和泥沙运动理论开展了桥墩周围局部冲刷的三维数值模拟。首先使用雷诺时均Navier-Stokes方程和标准K-ε湍流模型对圆柱形桥墩周围三维复杂流场进行数值模拟,将床面瞬时切应力作为泥沙起动及运输的水动力学条件,计算出床底泥沙的单宽体积输沙率,以此为基础得到河床高程坐标的瞬时变化;再采用边界自适应网格技术修改动边界计算域网格,计算得到圆柱形桥墩周围局部冲刷坑的演化过程。结果表明:桥墩周围局部冲刷三维数值模拟结果与试验结果基本一致,数值模拟方法能用来预测圆柱形桥墩周围的局部冲刷情况。     

丁坝局部冲刷浅析

本文根据国内外有关丁坝的冲刷机理与影响丁坝局部冲刷的研究成果，以及现有丁坝局部最大冲深计算公式的局限性，提出了以丁坝坝头附近床沙起冲流速为基础而建立的丁坝局部最大冲深计算公式的合理性。公式结构型式简单，物理意义明确，避免了在任何任何行近流速Ｖ，佛汝德数Ｆｒ或单宽流量ｑ情况下，均会使坝头附近发生局部冲刷的弊病。验证资料表明：该式能够反映丁坝局部最大冲深的变化规律。     

桥墩局部冲刷防护试验研究

在公路桥梁水毁中，有不少是因为基础埋深不够所致，如能对浅基桥墩进行局部冲刷防护加固，则可以避免或减少水毁，故此需预测桥墩局部冲刷深度和范围。１９９０年作者在西安公路学院水力实验室对陕西省石泉汉江大桥的防护进行了专项试验，对桥墩局部冲刷深度计算和冲帽防护的研究成果进行了试验与完善。     

局部冲刷的现代防护方法

设计水中构筑物(例如,桥梁墩台、调治构造物及护岸、海上钻井平台等)的地基基础的最重要任务就是弄清冲刷情况,确定它们的设计埋置深度。 多年的桥位和河海上水工建筑物的管理经验表明:在流水中,如果对构筑物地基的冲刷不作约束,那么就必然会产生特殊的局部变形——局部冲刷漏斗(坑洼)。桥墩的这些变形,通常会降低地基的承载力,有时还会导致构筑物的失稳。根据盖尔费尔和培舒金的资料,大约有80％的桥梁事故都是这个原因引起的。     

桥墩局部冲刷深度的预测

在现有国内外研究成果的基础上，从桥墩局部冲刷机理出发，利用不同国家的实测资料，用量纲分析原理和逐步回归分析，建立一种概念清晰，形式简单的桥墩局部冲刷计算公式。通过１个实例的计算结果表明，该计算方法切实可行，可为公路桥梁设计人员提供有益的参考。     

钱江四桥桥墩局部冲刷试验研究

桥墩局部最大冲深和冲刷部位是桥墩墩台设计和施工的重要参数，为此应用系列模型延伸法进行不同比尺的桥墩冲刷深度试验，然后利用试验数据进行回归分析，得到桥墩冲深计算式，经检验与实测基本相符，为桥墩设计和施工提供了科学依据。     

丁坝群和挡土墙配合防护沿河公路路基的机理分析

研究弯道水流的三维流场有助于认识沿河公路路基的冲刷机理并制定相应的防护措施,从而提高路基抗水毁的能力。采用现代三维运动界面追踪技术VOF(Volum e of F lu id)方法和标准k—ε模型耦合求解对圆心角为90°弯道的三维流场进行了合理模拟,并得出了河床剪应力的分布特征,为路基冲刷分析和合理防护措施的制定奠定了基础。     

串列双圆柱桥墩局部冲刷精细化模拟

为研究不同墩心距下沿流向串列布置的双圆柱桥墩局部冲刷坑形态的变化规律，提出1种平衡湍流边界层模型以获得稳定的湍流来流边界条件；利用雷诺时均N-S方程和标准k-ε湍流模型求解河床上双圆柱桥墩周围的复杂绕流场；基于能考虑河床面任意斜坡和泥沙坍塌效应的泥沙输运模型和动网格技术模拟双圆柱桥墩局部冲刷的动态演化过程，得到平衡冲刷坑形态，揭示冲刷发展过程的流动特征和冲刷机理。模拟结果与中美规范局部冲刷预测结果比较表明：串列双圆柱桥墩之间存在干扰效应；受下游桥墩施扰，最大冲刷都发生在上游桥墩，冲刷深度比单圆柱桥墩大，当墩心距L与桥墩直径D之比L/D=4时，达到最大值；而下游桥墩受上游桥墩遮挡的影响，最大冲刷深度在L/D=2时达到最小值，随着墩心距的增大，下游冲刷深度增大；当墩心距大于5倍桥墩直径后，下游桥墩可不考虑遮挡效应；获得的串列双圆柱桥墩最大冲刷深度值与美国规范预测值较为接近，而中国规范公式预测值偏小，提出的下游桥墩冲刷深度遮挡因子可为桥梁抗冲刷设计提供参考。     

桥梁河道三维水力与泥沙数值模型计算研究

从水动力和泥沙运动方程出发,采用雷诺时均的N-S方程,以k-ε双方程模型对紊流方程进行封闭,采用垂向分层的方法建立桥梁墩台冲刷的三维水动力模型。泥沙计算考虑悬移质和推移质泥沙输运,通过求解动网格方程更新整个计算域的网格坐标。通过数值模拟结果与模型试验结果的比较,建立的桥梁墩台冲刷数值模型具有较高的精度。     

柴油机高压共轨轨腔的三维数值模拟计算分析

高压共轨是控制柴油机排放的一项新技术,国内还处于发展阶段,因此具有研究的实际意义。通过建立高压轨腔的三维不可压流体力学模型和流体力学边界条件,利用SIMPLE计算方法,并引入SST k-ω湍流模型,模拟计算三种不同截面轨腔的压力场和速度场,分析壁面夹角与轨腔内流场的关系。结果表明：在横截面面积相同的情况下,出口中心线与轨腔壁面的夹角小于90°且大于80°的轨腔改善了轨腔内的流场特性分布。CFD数值模拟的研究方法能缩短研发周期并且便于改变模型参数。是研究高压共轨的有效方法。     

沿河公路路基冲刷深度的计算

在沿河公路路基冲刷防护中多采用挡土墙或石砌护坡。确定合理的局部冲刷深度 ,是确定挡土墙基础埋置深度的重要依据。在分析路基局部冲刷的影响因素基础上 ,结合甘肃省陇南地区沿河公路挡土墙的冲刷实测结果 ,探讨和建立新的局部冲刷计算公式 ,公式的计算结果与实测数据基本相符     

桩基非对称局部冲刷条件下土体应力变化解析解

传统桩基局部冲刷坑模型主要采用对称形态的坑体来分析,然而实际问题中局部冲刷坑体常为非对称,这使得桩基处于更不利的状态。评价桩基承载力的关键之一是合理计算冲刷坑造成的土体应力状态变化。而对于桩周形成非对称冲刷坑时土体应力变化,目前仍然没有较为完善和严格的理论分析方法。针对该问题,根据已有试验得到的非对称局部冲刷坑形态,提出非对称冲刷坑内土体应力计算的平面应变简化模型;并基于弗拉曼解在半无限空间中的应用,将冲刷坑以上土体看做荷载并引起土体内应力重分布,得到非对称冲刷坑下土体应力分布计算的平面应变解析解。通过有限元中的"生死单元法"模拟非对称局部冲刷坑的形成过程,并将有限元得到的冲刷坑内土体应力结果与解析解计算结果进行对比,验证解析解的正确性。随后基于该方法考虑桩尺寸的影响,得到非对称局部冲刷坑形成后桩周土体的垂直及水平有效应力计算方法,并与有限元计算结果进行了对比。结果表明：在考虑桩尺寸时,解析解计算结果略保守。在此基础之上,对非对称冲刷坑参数的敏感性进行分析,指出桩上、下游侧冲刷深度差值对桩周土体的应力影响较大,得到了非对称冲刷坑下桩周土体的垂直有效应力及水平有效应力差的变化规律,研究结果可为工程设计提供参考。     

人工湖湖底形态优化数值模拟分析

为了合理确定人工景观湖湖底形态,采用丹麦水利研究所开发的Mike Flood一维二维耦合模型,以及Mike 3三维水动力模型对湖底形态进行研究,得到不同湖底形态对于水流动力的影响。结果显示,弧形深槽的湖底形态下湖区流场更加均匀,低流速的水流区域范围更小。