Local Scour and the Laws of Scour Pit's Shape Downstream of Debris Flow Sabo Dam

The erosion shape and the law of development of debris flow sabo dam downstream is a weak part in the study on debris flow erosion. The shape and development of scour pit have an important effect on the stability and safety of debris flow sabo dam, which determines the foundational depth of the dam and the design of protective measures downstream. Study on the scouring law of sabo dam downstream can evaluate the erosion range and reasonably arrange auxiliary protective engineering. Therefore, a series of flume experiments are carried out including different debris flow characteristics(density is varying from 1.5 t/m3to 2.1t/m3) and different gully longitudinal slopes. The result shows that the scour pit appears as an oval shape in a plane and deep in the middle while superficial at the ends in the longitudinal section, the position of the maximum depth point moves towards downstream with an increase of flume slope angle.The maximum depth of scour pit is mainly affected by the longitudinal slope of gully, density of debris flow,and the characteristics of gully composition(particle size and the viscosity of soil). The result also indicates that the viscosity of soil will weaken the erosion extent.The interior slopes of scour pit are different between the upstream and the downstream, and the downstream slope is smaller than the upper one. For the viscous and non-viscous sands with the same distribution of gradation, the interior slope of nonviscous sand is smaller than the viscous sand.According to the regression analysis on the experimental data, the quantitative relationship between the interior slope of scour pit, slope of repose under water and the longitudinal slope of gully is established and it can be used to calculate the interior slope of scour pit. The results can provide the basis for the parameter design of the debris flow control engineering foundation.

考虑端部形状影响的矩形桥墩局部冲刷试验研究

文章以宽度相同、长度不同的矩形桥墩为研究对象,考虑矩形、圆端形、三角尖形3种典型端部形状,在铺设10 cm等厚定级配沙的矩形长直水槽内进行不同流速下桥墩局部冲刷室内试验,量测不同时刻桥墩周边测点流场、墩周冲刷坑深度等参数,结合基本理论对桥梁基础局部冲刷进行研究。结果表明:圆端形和三角尖形端部桥墩墩前下降水流和墩周马蹄形涡流强度较矩形端部小;在相同条件下,圆端形端部桥墩最大冲刷坑深度相对于矩形端部桥墩减小34.9%,而三角尖形端部桥墩最大冲刷坑深度相对于矩形端部桥墩减小66.7%;在保证矩形桥墩长宽比L/B≥2的前提下,当弗劳德数Fr≤0.111时L/B越小,墩周冲刷破坏程度越小,而当0.148≤Fr≤0.185时则相反。根据河道不同流速合理选择墩型,能够更好地预防冲刷破坏。试验结果可为桥墩局部冲刷设计提供参考。

淹没式移动射流对黏性底床开沟试验研究

以试验方法研究双喷式射流结构对软质黏性底床上可沉降管道移动射流开挖规律。通过黄土、高岭土、水泥配置低剪切强度试验黏土,揭示喷嘴射流速度、喷嘴平移速度对冲坑特征尺寸影响规律。以边界层剪应力分析冲坑形态变化,并引入低射流靶距下反映侵蚀能力强度的回归侵蚀特征值Z进行无量纲化分析。结果表明:双喷式垂直射流形成的冲坑断面轮廓具有中心对称性,移动射流形成的冲坑纵向剖面线具有几何相似性。冲坑特征尺寸随射流速度呈近似线性变化,随喷嘴平移速度增加呈减小趋势。剪切强度增加使得黏土抗侵蚀能力增强,冲坑稳定断面曲线由V形向U形逐渐过渡变化。

水电站下游河床冲刷成因分析及处置措施

对广东梅江蓬辣滩水电站的工程地质、冲刷水工模型、冲刷实测数据和冲刷坑深度进行了详细分析。通过对冲刷坑实测数据和冲刷坑深度的分析计算,发现下游河床仍存在继续冲刷的可能。冲刷坑的发展规律符合设计与水工模型试验结果。目前,下游冲坑对闸基影响较小,但接近安全坡比控制值。建议采取措施对水闸及厂闸导墙冲坑进行优先处理,阻止冲刷继续发展,并加强对坝基及下游河床的原型观测。

海洋平台桩腿周围局部冲刷及其对基础承载力的影响

在海洋平台桩靴基础安装施工过程中,容易发生穿透现象而导致破坏。业界建议可通过在桩靴周边加设向上的袖结构来抑制贯入时周围土体的回流,从而缓解穿透破坏。但这种袖结构的存在会导致局部冲刷,形成的冲刷坑会减小桩靴有效埋深,进而影响其使用期的承载力。通过一系列水槽试验,探讨了不同形式桩腿的面积比、开孔率、来流角度等因素对于冲刷坑形状的影响,进而开展了考虑冲刷坑影响的桩靴基础承载力数值计算,并与忽略最大冲刷深度以上土体的传统模型、假设冲刷坑为倒圆台状的简化模型计算结果进行了对比。主要研究结果如下:(1)加设圆形袖结构的桩腿引起的冲刷深度要比方形袖结构桩腿小,建议工程中采用面积比较小的圆形袖结构来缓解穿透破坏;(2)桩腿的面积比、开孔率、来流角度等因素对冲刷坑形状都存在影响。最大冲刷深度随着开孔率的增大而减小,当开孔率较大时,冲刷现象近似于群桩冲刷,出现随着冲刷角度的增大冲刷深度先增大后减小的现象;(3)当考虑冲刷坑对于桩靴承载力的影响时,简化模型能够合理反映冲刷坑对于桩靴基础承载力的影响。

复杂承台群桩基础桥墩局部冲刷及冲坑形态研究

为研究水动力条件变化对复杂承台群桩基础桥墩局部冲刷的影响,以深圳市东宝河大桥主墩基础为研究对象,通过大比尺(1∶15)正态物理模型试验分析了桥墩基础在半掩埋条件下的局部冲刷坑形态、尺度及冲刷过程在不同水流偏向角度、水动力条件下的动力响应。结果表明:桥墩受小角度偏转水流的冲刷作用普遍增强;周边新建工程实施后,桥墩周围水深变小、流速变大,伴随着冲刷坑影响范围增大,水流偏向角为0°和5°时最大冲刷深度分别增加17%和16%;受复杂承台结构和群桩阻水效应的联合影响,沿桥墩轴线方向产生的3个冲刷坑尺度依次递减,至冲坑末端为沙脊淤积;冲刷坑在立面上呈现出从倒圆锥变化至半椭圆形态,且随着高程增加,冲刷坑水平方向尺寸增幅放缓而横截面面积显著增加。研究成果可为类似复杂桥墩型式的桥梁安全运行提供参考。

水下移动式双喷射流冲刷试验研究

通过实体模型试验研究双喷式射流结构对非黏性沙床上固定式管道移动射流开沟的变化规律。建立射流冲刷缩尺模型,设计模块化射流装置,揭示喷嘴射流速度和喷嘴平移速度对冲刷坑特征尺寸的影响规律。采用边界层剪应力分析冲刷坑的形态变化,引入冲刷参数进行无量纲化分析。研究结果表明:定点射流冲刷坑的断面轮廓具有中心对称性,移动射流冲刷坑的纵向剖面线具有几何相似性。冲刷坑的特征尺寸随射流速度呈线性变化,并随喷嘴平移速度的增加呈先增大后减小的变化趋势,同时移动射流在一定程度上可降低冲刷坑的回淤率。

网格结构对桥墩周围冲刷坑的促淤效果研究

减少冲刷坑深度是桥梁设计与维护中常面临的一个重要问题。为了进一步探明促淤网格的安装位置等对桩墩局部冲刷坑促淤修复效果的影响,通过水槽试验研究促淤修复率随促淤网格安装位置、网孔大小等要素的变化特征。结果表明:促淤修复率受来流强度的影响不大,受网格的相对安装位置影响很大;为提高促淤网格的稳定性和促淤修复效果,促淤网格应安装在沙波波谷以下尽可能高的位置,以获得尽可能大的促淤容量,增大网格的促淤深度;网格的相对网孔孔径越小,网格安装位置对冲刷坑促淤修复效果的影响越显著。最后,提出了促淤网格防护下的最终促淤深度计算公式,为今后促淤网格的工程应用提供参考。

闸坝防冲护坦末端淘刷对水流流态影响研究

采用急流衔接的闸坝防冲护坦末端“软硬”交界处或预挖冲坑常常发生基础淘刷破坏,不仅使护坦处于悬空状态,还可能引起护坦末端水流流态与设计的急流流态有偏差,甚至形成水跃状大尺度旋滚淘刷河床,但相关研究成果很少。针对闸坝下游防冲护坦末端基础发生淘刷的情景,采用室内机理模型试验和三维湍流数值模型方法,对护坦末端不同尺寸概化淘刷坑附近的水流流态进行详细观测和计算分析。结果表明,与护坦末端基础未被淘刷时的急流流态相比,淘刷坑使水流流态发生很大变化,可分为护坦上游的水跃、淘刷坑内的混合流、此两类组成的准周期流态三种。流态演化的研究结果可为分析闸坝下游护坦结构大规模破坏提供技术支持,具有一定工程应用价值。

非对称河道窄缝挑流轨迹及冲刷规律试验研究

基于某水电站模型试验,系统探究了非对称河道内不同收缩比窄缝消能工的挑流轨迹和冲刷规律。研究表明窄缝挑坎出口的收缩比对冲刷坑的形态影响明显,随着收缩比的减小,挑坎两边的侧墙将水流向中间挤压,同时出射水舌在空气中充分扩散,进一步掺气消能,导致冲刷坑的深度降低、范围增大。对于非对称河床,相同流量下河床冲深会随着β增大而加大,但其冲刷横向扩散范围会显著减小。对水舌外缘挑距的公式开展了对比研究,当收缩比β>0.2时,陈忠儒公式的计算结果与试验值吻合;当β=0.2时挑流轨迹计算应采用修正后的水工计算手册公式。

采沙河段桥下溯源冲刷深度计算方法研究

河道大规模采沙引起的溯源冲刷是一种剧烈的自然演变冲刷,会显著降低上游跨河桥梁的基础埋置深度,但我国相关规范中尚无关于桥下采沙坑溯源冲刷深度的简易计算方法。为提出一个可供实际工程使用的采沙河段桥下溯源冲刷深度计算公式,采用量纲分析方法分析桥下溯源冲刷深度的主要影响因素,建立桥下溯源冲刷深度计算公式的一般形式,并利用实验及实测数据确定公式待定系数。结果表明,桥下溯源冲刷深度主要受上游来流流速与床沙起动流速之比、水深与采沙坑深度之比、桥位至采沙坑距离与采沙坑深度的影响,桥下溯源冲刷深度随桥位至采沙坑距离增加按指数规律减小,建立的桥下溯源冲刷深度计算公式符合客观规律且与已有数据吻合较好。研究提出的溯源冲刷深度计算方法可为采沙河段桥梁基础埋置深度的设计与评估提供依据。

人工采砂坑地形对水动力泥沙环境影响

海底管道是重要的能源生命线,海底管道路由上的采砂坑对管道在位稳定性造成严重威胁。为评估深港海底管道路由区域海流冲淤采砂坑对深港海底管道在位稳定性的影响,本文利用长期实测资料对比,并结合数值模拟方法分析海底管道路由上采砂坑冲淤问题,建立的有限元分析模型与实测资料能够较好吻合。研究得出波浪潮流作用下采砂坑的冲淤规律和未来十年的变化特征:采砂区内为淤积环境,北侧边界向西北方向扩展,远离管道走向,对管道无影响;南侧边界向东南方向扩展,造成铜鼓水道附近管道冲刷;东侧靠近管线段采砂坑坡顶受到侵蚀,导致采砂坑边界线向管线扩展。本文为深港海底管道路由采砂区海流冲淤分析提供了科学有效的方法。

河水环境下桥梁微型桩基坑防冲刷技术研究

依托格鲁吉亚E60高速公路Ubisa-Shorapani(F3)标段桥梁微型桩基坑工程,结合局部冲刷作用机理,计算富水环境下桥墩最大冲刷深度,并通过现场河床沉降监测进行分析验证,开展局部冲刷防护措施研究。研究结果表明:牺牲桩主动防护措施,抛石及碎石填充被动措施防护作用突出且持久,能有效减小河水冲刷影响,同时具有施工简便、环境影响小等优点。最终确定的冲刷防护方案在工程中得到成功运用,质量和效果均达到要求,可为其他同类或类似桥梁桩基础冲刷防护工程提供借鉴。

丁坝冲刷坑及下游回流区流场和紊动特性试验研究

通过超声多普勒测速仪NDV对已形成冲刷坑的情况下的丁坝流场和紊动动能进行细致的三维测量,结果表明,冲刷坑的存在使得回流范围比平底情况有所减小,较强的紊动动能主要分布在坝头和冲刷坑内,其中以坝头处水流分离区紊动动能最为强烈,主回流区交界处次之。冲刷坑的存在也使得丁坝后回流区的水流和紊动动能分布有较大调整。

低水头水利枢纽泄水闸闸前冲刷研究

针对低水头水利枢纽坝前附近的冲刷问题,建立了用于研究闸前三元流的泄水闸物理及数学模型,利用动床物理模型观测了闸前冲坑发展过程,然后采用定床物理模型和三维数学模型研究了闸前冲刷初始时刻、中期时刻及稳定时刻的三维流场。结果表明:冲刷初期水流受挡水闸阻水作用,在闸前近壁区水流下潜形成漩涡,闸前呈现复杂的三元流流态,从而造成闸前床面泥沙大量启动,迅速形成冲坑。在冲刷中后期,下潜水流流速在冲坑内部沿水深方向逐渐减弱,漩涡现象不明显,冲坑发展变缓,最终达到平衡。

挑射水流对岩基河床冲刷的探讨

在分析水垫塘中射流特征的基础上，综合了消能和射流的观点，提出一个估算冲坑深度的新公式。该公式结构简单、包括因素较全面，并通过分析计算实测资料，给出岩石冲刷系数的推荐值。利用该公式，对三峡大坝冲刷深度进行了预报，其预报值与各家的实验值符合较好。

海洋平台桩基周围冲刷过程及冲刷机理分析

对埕岛油田典型平台周边多年的水深地形资料进行分析对比,研究平台桩基周围冲刷过程,探讨桩柱周围形成冲刷坑的冲刷深度、几何形态和分布特征,分析其冲刷机理。结果表明,平台建成初期桩基冲刷剧烈,周围海底形成以平台为中心的盆状地形,经历近1年的时间逐步达到冲淤平衡。冲刷坑形态特征主要由水动力条件控制。

平衡冲刷坑的稳定性条件与堆丘位置的确定

从运动学和动力学的角度，分析冲刷坑达到平衡状态时的稳定性条件．并在此基础上，利用射流扩散理论导出平衡冲刷坑堆丘位置的预报公式．结合小湾工程断面模型冲刷试验结果，确定出公式中的有关系数．

泥石流坝后侵蚀坑内部边坡规律实验研究

侵蚀坑内部边坡的大小决定着侵蚀坑的形态和发展,研究侵蚀坑内部边坡的变化规律可为合理估算冲刷范围提供依据。通过室内水槽实验观测,侵蚀坑纵剖面坑内坡度总体表现为上游坡较下游坡陡,并且随着水槽原始坡度以及沟床组成物质的变化而变化。对于具有相同级配的粘性砂和无粘性砂,粘性砂的侵蚀坑坑内坡度较无粘性砂的要陡。定义侵蚀坑上下游出口与其最深点连线的倾角为侵蚀坑坑内上下游坡度,通过对实验数据进行回归分析,建立了侵蚀坑坑内坡度与泥沙的水下休止角以及沟床原始纵坡之间的定量关系。

挑流消能水工模型试验及挑距、冲刷坑深度估算方法

通过溢洪道水工模型试验,优化了溢洪道挑流鼻坎体型结构,在拟合冲刷坑计算表达式中引入鼻坎体型系数作为挑射角角度的影响参数,通过量纲分析、回归分析,推求确定各相关参数。结果表明,在下游河床地质条件相同时,影响冲刷坑深度的因素主要有鼻坎处单宽流量、流速、上下游水位落差、鼻坎体型等,提出的冲刷坑计算公式较现行规范中公式的计算精度明显提高,更接近实测值。