桩群绕流阻力物理模型试验测量技术研究

由于压强差的存在和桩群表面的摩擦力,水流流过桩群时将产生绕流阻力。对于单根桩的复杂水流条件下绕流阻力的理论分析尚待进一步研究,桩群的阻力计算更显复杂,限于理论计算桩群绕流阻力的复杂程度,桩群水流阻力数值模拟和物理模拟技术仍处在概化模拟阶段。为了通过实测数据辅助研究桩群阻力概化方法,依托物理模型技术、传感器发展水平、软硬件系统集成技术而提出一整套对桩群阻力测量技术的解决方案,并分析了测量结果的合理性。     

不同结构形式桩基在数值模拟中的概化方法研究

在理想数值水槽中,将风电桩基作为陆域边界直接模拟,计算桩基影响下的二维流场。对于结构复杂形式多样的桩基础,通过等效阻力法和等阻水面积法对桩基进行概化,并计算概化后桩基影响下的二维流场。计算结果表明这两种概化方案都可以有效逼近原桩基引起的水位、流速变化,且对风电桩基群的大范围流场的影响在可接受的误差范围内。通过对这两种概化方法的结果进行比较分析,表明在实际应用中需根据桩基的形式选取适合的概化方法。     

Mike21软件桩群概化方法在高桩码头中的应用

码头前沿水域的横流过大容易导致船舶撞击码头或系船缆绳断裂,进而引发安全事故,因此研究码头前沿水域的流场状况对码头轴线合理选取和船舶的安全靠泊有着非常重要的意义。基于桩群概化方法,采用Mike21软件中的三角形网格水动力模块(FM模块)对曹妃甸矿石一期、矿石三期高桩码头附近的流场进行了数值模拟,并与现场实测流速、流向进行对比验证,确定了模型中的桩群影响参数。在此基础上,深入研究相邻高桩码头桩群阻力对周边海域的影响,并对码头前横流进行计算和分析。此方法实施简单、计算效率高,对大范围海域影响研究结果合理,对高桩码头前沿水域有关流速、流向的计算结果更加准确,对码头轴线合理选取和船舶安全靠泊有重要的参考意义。     

潮流数值模拟中透空式防波堤处理方法研究

透空式防波堤利用上部结构的挡浪板实现挡浪消波,为港区提供良好的泊稳条件,桩基和挡浪板部分入水会改变建筑物局部水域的水动力特性。在有透空式防波堤的海域进行二维潮流数值模拟时,分别利用了等流量法和等效阻力法对挡浪板进行概化,将挡浪板对水流的阻碍作用等效为通过改变地形和当量糙率来模拟对水流的影响;研究分析了透空式防波堤概化处理后,挡浪板对周围水域的水动力特性的影响。结果表明两种方法均能模拟出挡浪板的阻水效果,其中等效阻力法物理概念清晰,模拟结果更符合实际规律。     

非恒定流桩墩等效糙率

在考虑桩墩对流场影响的数值模拟中,等效糙率法是桩墩概化所采用的主要方法之一,其等效糙率的计算对模拟效果产生直接影响。文中以单个桩墩为例,通过理论推导得出桩墩等效糙率的公式形式及其主要影响因素,结合数学模型确定非恒定流下不同工况条件下的等效糙率,采用量纲分析法和全潮均方根流速的方法,研究非恒定流下网格面积,水深,流速,桩径对等效糙率的影响并拟合出桩墩等效糙率的计算公式,拟合效果较优、结构更为简单,同时也为多个桩墩(包括横向排列、纵向排列、横纵向排列的多个桩墩)等效糙率在近岸海域的应用奠定了基础。     

东海大桥近岸浅海段桥墩PHC 桩施工技术

东海大桥桥轴线全长31 km,近岸浅海段桥墩桩基采用PHC桩;近岸浅海段桥墩桩基的施工为远离岸线的无掩护外海施工,风大、浪高、流急,海况条件恶劣,全年有效作业天数仅为174 d;近岸浅海段桥墩桩基所处区域地质结构复杂、海水含盐量高.因此,适应该海域自然条件的大直径PHC桩施工成为实施本工程施工的关键问题.主要描述在特定的海况环境及地质条件下,东海大桥近岸浅海段桥墩PHC桩的桩型选择及防腐技术、桩靴形式选择及可沉分析、水锤效应及波流影响的对策等关键施工技术.     

长江下游感潮河段造床流量计算研究

针对长江下游大通至长江口的感潮河段,借助潮流数学模型,计算造床流量,研究其特点及变化规律。研究表明:计算感潮河段造床流量时,流量输沙率法使用方便,计算结果较为合理;对于天生港以上河段,存在两个造床流量,而对于徐六泾以下河段,则存在一个造床流量群;大通至仪征河段的造床流量沿程变化较少,自仪征开始造床流量沿程逐渐提高,主要应与纳潮量沿程增加有关。     

基于BP神经网络模型下的桩群阻力预测

在30m长、3m宽、0.26m深的循环水槽中,应用阻力相似理论进行物理模型桩群模拟,以试验中的实测桩群阻力数值作为期望值,建立基于BP神经网络的桩群阻力预测模型。应用该模型进行桩群阻力预测,通过对比实测数据,发现预测值相对误差很小,预测结果合理可信。由此可以认为,以物理模型试验数据为基础,依托神经网络进行桩群阻力预测的方法值得推广和探讨。     

水流流向对圆柱群阻力特性影响研究

为解决工程实际中桩群码头的水流绕流阻力计算问题,以指导涉及桩群的物理模型试验和数值模拟计算等工作,在归纳总结已有的研究成果的基础上,通过先进的数显式测力设备和悬浮测力法对有限深度均匀水流中,不同水流流向对圆柱群绕流阻力影响的测试研究,得出迎流角对圆柱桩群阻力的影响规律,并得出圆柱桩群阻力的迎流角影响系数和其经验公式,并进一步归纳总结出迎流角度为θ的矩形排列圆柱桩群的总阻力计算经验公式;并通过试验测试得到了良好的验证,证实了这些研究规律和公式的正确性和可靠性.该研究成果进一步完善和发展了有限深度均匀水流中,水流流向对圆柱群绕流阻力影响特性规律,并指出该研究的工程意义与价值.     

无壁面参数低雷诺数桩群阻力计算研究

桩群阻力的理论研究水平等,对于单桩绕流阻力特性尚未彻底研究清楚,而群桩有着不同于单桩的独特力学特性,其影响因素众多,关系错综复杂,所以寻求桩群阻力简化计算方法成为该领域内的一种主流。借助于循环水槽物理模型试验数据结果建立无壁面参数边界层模型,用于计算低雷诺数桩群绕流阻力,该模型的显著特点是工程实用性强,由于不考虑壁面参数,即简化了计算过程,同时计算结果也令人满意,计算值与实测数据的最大误差低于10%。     

港珠澳大桥工程二维潮流数学模型研究

文章建立了基于无结构网格的港珠澳大桥所在海区平面二维潮流数学模型,并采用潮流数值模拟手段对该海区的潮流动力进行了模拟研究,分析了大桥工程周围海域的潮流动力影响。为了在宽广海域中刻画桥墩的阻水影响,将桥墩概化为陆地,并采用桩基阻力处理方法处理桥墩阻力。通过研究采用了局部网格加密方法,桥墩处最小网格长度仅2.39m。研究结果表明:港珠澳大桥的建设对伶仃洋潮流的影响甚微。若以流速变化0.01m/s作为有显著影响的判断标准,则工程对潮流的影响仅限于内伶仃岛与桂山岛之间的大桥及人工岛附近。大量的研究结果可为论证港珠澳大桥建设方案的可行性提供理论依据。     

鸭绿江公路大桥桥区河段平面二维潮流泥沙数学模型研究

为研究在建鸭绿江公路大桥桥墩及施工栈桥等对航道条件的影响,建立了二维潮流泥沙数学模型,对桥区河段水动力条件和河床冲淤变化进行了模拟研究。研究结果表明大桥施工期桥区河段出现的剧烈变形主要由河床自然演变造成,淤积的主要原因是前期冲刷量大、河床自动恢复平衡的结果。施工栈桥和桥墩也对淤积产生一定贡献,拆除后河床会产生一定的冲刷和恢复调整。     

港珠澳大桥建设对水沙环境影响数学模型研究——II. 模型的应用

对港珠澳大桥工程方案实施后潮流泥沙进行数值模拟,将桥墩附近网格进行加密处理,把桥墩本身刻画为固边界。根据数值模拟结果,对大桥工程实施后附近海区潮位、流速和潮量变化及水下地形冲淤变化进行了分析,研究结果表明,港珠澳大桥对伶仃洋海域潮流泥沙影响仅限于大桥附近,对伶仃洋滩槽格局没有影响,对伶仃航道没有负面影响。     

引桥桥墩间距对港域流场影响的试验研究

为了改善工程区的流场分布,根据烟台西港区一期工程潮流数学模型试验的研究成果,针对引桥为透空和实体的结构形式,分析了工程建设对流场的影响,以及桥墩不同间距直至实体时工程海域流场的变化情况和对通航条件的影响,并对回转水域和停泊区的流速流向变化进行了对比分析。结果表明：桥墩间距在5～15m时,可以兼顾透流效果和掩护条件,满足工程要求。     

桥墩对周围海域水动力环境影响研究

建设在海岸河口水域的大桥桥墩,会增加桥位水域的阻力并减小过水断面,从而对周围海区的水动力环境产生一定影响,而海岸河口水动力较为复杂,单纯采用某一种研究手段往往难以全面地分析这种影响。文章以浙江省温州市大门大桥为例,通过对大桥所在的大、小门岛和沙头水道海域的水动力条件、泥沙条件及地形冲淤变化进行分析,掌握了该海域的水文泥沙环境与冲淤演变规律,对大桥建设后地形演变趋势进行了预测;然后又建立了二维潮流场数学模型,模拟研究大桥建设对周围海区的潮位、水流、潮量等水动力环境的影响。结果表明:工程建成后,工程对周围海域水动力环境影响仅在桥位附近,不会引起其他水道和海域的改变。     

海龙湾二维潮流场数值模拟

建立了平面二维潮流场模型,采用MADI有限差分方法进行离散求解,利用动边界处理边滩以及心滩随水位升降产生的边界变动问题,对工程海域的潮流场进行数值模拟,并采用两套网格计算方案、使用加密网格,深入进行潮流场的研究分析。验证结果表明,计算的潮位和潮流过程与实测过程吻合较好,为海龙湾工程开发利用提供了科学依据。     

长江口航道治理研究中数、物模技术的应用

潮汐河口受径流和潮流共同作用。径潮流动力的不同及其复杂的时空变化导致河口的不同区段水沙特性等也明显不同。在河口治理研究和工程实践中必须充分考虑这些特征。河口治理研究应采用数模、物模多种手段综合研究的方 法,因数模和物模技术具有不同的特点和适用范围,研究方法及具体评价指标应根据研究区段的水沙特性和研究目的合理选用。以长江口深水航道治理工程的实践为例,介绍数物模综合研究技术的应用及效果。     

往复流不同入射角条件下跨海大桥桥墩局部冲刷研究

文章以港珠澳跨海大桥工程为依托,采用理论计算和模型试验的手段进行研究,在公式得到验证的基础上,针对往复流不同入射角条件下桥墩局部冲刷深度问题进行探讨。结果表明:潮汐往复流条件下,桥墩上下游均出现局部冲刷,且上游冲刷深度大于下游;当桥墩迎流面与往复流流向基本垂直时,桥墩局部冲刷深度理论计算值略大于模型试验值,误差均在10%以内;在顺流面长度大于迎流面宽度的矩形桩墩墩型条件不变时,桥墩局部冲刷深度随往复流来流入射角的增大以变速率增大,且当入射角大于一定值时,桥墩冲刷深度趋于稳定。     

一种快速有效地计算多物体耦合运动的方法

文章给出一种简单有效的计算多船和多墩柱相互作用的方法。该方法的出发点是将船体剖面用具有等效矩形代替,并将其周围的流场划分为船底与水底之间的内场和船侧面的外场。内场速度势采用简单的解析解;外场速度势沿水深做傅立叶级数展开,并在船体水面周线上分布源汇。然后在内外场交界面上进行耦合匹配求解。对于求解墩柱可以等效于求解船体底间隙为零的情况。上面简单的方法对于多船和多墩柱的耦合计算是简单和有效的。通过给出数值算例,证明了本方法的精确性和有效性,并且研究了多船和港口间的相互作用问题。     

潮段平均流速计算方法研究

在海岸、河口、海湾等地区,潮流是最基本海水运动和主要的水动力因素之一,受海底地形、岸线和岛屿的影响,潮流运动基本呈现为往复运动,即涨潮流速和落潮流速方向相反,相差180°左右。描述往复运动潮流动力强弱的重要指标之一是潮段平均流速和潮平均流速。结合实际海区的实测潮过程,文中对潮段平均流速的3种计算方法和对水文全潮的潮平均流速的3种计算方法进行了对比研究。研究结果表明,不同的计算方法其结果存在着误差,建议潮段平均流速采用积分平均方法,潮平均流速计算采用加权平均法。