某水利枢纽工程泄洪冲沙洞动床冲刷试验研究

针对某水利枢纽泄洪冲沙洞,采用动床模型试验的方法对消能区下游河床冲刷情况进行模拟研究,并根据不同泄洪工况冲刷情况提出优化思路和修改方案。试验结果表明:各工况下对下游河床的冲刷深度及冲坑形状,冲坑最低点均在退水渠轴线上;在校核工况下最大冲坑深度可达3.84m,钢筋石笼末端冲坑深度为1.38m。因此,退水渠末端防冲齿墙深度应不小于2m,才可保证退水渠及消力池自身安全。

跨海铁路桥梁深水基础冲刷数值模拟

拟建头门港铁路支线(头门港站—头门港东站)二期工程位于浙江省东部海域,跨海铁路头门港大桥所在海域潮汐现象显著,波高较大,基础冲刷明显。首先选择7个典型桥墩,分别采用经验公式(孙志林公式和韩海骞公式)、JTG C30—2015《公路工程水文勘测设计规范》公式、美国HEC-18公式及数值模拟方法计算桥墩冲刷深度,基于百年一遇水位采用Das公式计算冲刷坑范围。然后采用半经验半理论的冲淤计算公式,计算冲淤平衡后水深变化量。通过与理论公式计算的局部冲刷深度对比,验证了数值模拟方法用于桥墩局部冲刷分析的可行性。结果表明:不管桥墩承台顺桥向尺寸如何变化,孙志林公式和HEC-18公式计算的冲刷深度偏大,韩海骞公式计算值最小,因此桥梁设计时宜采用规范公式计算冲刷深度;总体上桥墩承台顺桥向尺寸越大,冲刷坑面积越大;桥梁建成后水深下降了0.3~0.7 m,一般冲刷深度在3~5 cm,故分析该桥址处局部冲刷时可不考虑一般冲刷的影响;承台顺桥向尺寸在8~11 m时,与孙志林公式计算的局部冲刷深度相比,数值模拟值和规范公式计算值更接近,可采用数值模拟方法进行桥墩局部冲刷分析。

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。

基于Flow-3D的桩林坝不同布置形式对坝基的冲刷侵蚀

桩林坝是一种以桩为基础的竖向格子坝,既有良好的受力条件,又相对节约材料,同时拥有“拦粗排细”的功效,现有桩林坝的研究,多在冲击荷载、拦截固源和调控泥石流性能等方面构建不同布置形式的桩林坝模型。以杨家沟为例,通过野外现场踏勘和数值仿真计算,基于Flow-3D软件开展数值模拟研究,建立不同布置形式(单排桩、双排桩、桩间距、排间距)的桩林坝模型,探讨不同影响因素下桩林坝坝基冲刷侵蚀规律。结果表明:桩林坝的整体设计中桩林不宜过密,桩间距和排间距以2.5 m为宜;单排桩的稳定性较弱,在泥石流冲击下极易发生剪切破坏,且对上游的“固源”作用远不如多排桩,但单排桩的冲刷深度及侵蚀规模均小于多排桩。研究成果对桩林坝的布置形式及冲刷机制提供数据支撑,并为震后泥石流防治工程设计提供参考。

冰盖下组合桥墩的局部冲刷特性及水力特性

为研究冰盖对组合桥墩局部冲刷及其周围流场分布的影响,基于动床冲刷试验,在不同覆盖条件下,分析了不同水流条件和桥墩尺寸对组合桥墩局部冲刷的影响,建立了预测明渠水流与冰盖流条件下组合桥墩最大冲刷深度的经验方程,并通过ADV测量了墩前的流场。结果表明:组合桥墩的冲刷模式与串列桥墩相似,最大冲刷深度始终出现在墩正前方;经验方程中来流水深、来流流速、桥墩尺寸、冰盖糙率均与最大冲刷深度呈正相关关系;在粗糙冰冰盖流条件下,墩前的垂向流速最大,导致其最大冲刷深度总是大于同等条件下的明渠水流和光滑冰盖流。

海上风电桩基“抛石+”复合防护方法试验研究

针对现有海上风电基础冲刷防护措施的失效机理及薄弱之处,利用扰流环的驻涡原理降低了水流对抛石层的沉陷破坏、利用套筒固定抛石层从而减弱了抛石层的边缘破坏、利用仿生水草垫阻碍下潜水流及侧向来流的功能有效减弱了抛石层的剪切破坏,由此分别提出了“抛石+扰流环”“抛石+套筒”“抛石+仿生水草”三种新型复合防护方法,并按照3类复合防护措施的布置方式提出10种具体的复合防护设计。进一步开展物理模型试验,评估不同复合防护方法的防护效果。试验结果表明,海流作用下3类复合防护的防护效果均较好且明显优于抛石单独防护,防护效率均在66%以上。当抛石铺设范围为3倍单桩直径、抛石厚度为2倍的中值粒径,扰流环内部直径设置为2倍单桩直径、距离抛石层0.5倍桩径时,扰流环能够更好地发挥作用,使得到达抛石层以及周围泥沙的水流分散并且流速减缓,此种复合防护方法的防护效率为82.2%,能够达到理想的防护效果。

固结黏性土河床冲刷深度试验研究

固结黏性土是沉积日久、经过物理化学作用、已经形成黏土矿物的黏性土,其起动特性与散粒体泥沙存在明显差异,河床冲刷情况也更为复杂。以拟建绍兴市城市轨道交通2号线下穿曹娥江隧道工程河段为例,采用水槽试验与河工模型试验相结合的方法,通过水槽试验测量原状土与模型沙起动流速及输沙率,从而选取模型沙并确定冲淤时间比尺。结果表明:在百年一遇与三百年一遇极端洪水作用下,隧道线位上游受弯道的影响,下游受左岸边滩的约束,冲刷深度均较大,而隧道线位处冲刷幅度相对较小,最大冲刷深度分别为5.5 m、7.7 m。水槽试验与河工模型试验相结合的方法可为固结黏性土河床的隧道、管道埋深设计提供参考。

冰盖下桥墩局部冲刷新型防冲组合结构试验研究

河流冰盖的形成改变了桥墩周围的水力特性,导致桥墩局部冲刷加剧。基于动床冲刷,在冰盖及明流条件下进行了螺纹式减冲索与钩环式护圈组合的新型防冲结构室内模型试验,探究其对桥墩局部冲刷的防冲效果。试验结果表明:新型防冲组合结构改变了桥墩的局部冲刷模式,延缓了冲刷过程;通过极差分析与方差分析可知,螺纹直径为6.0 mm、螺纹角为15°、螺纹排数为3的新型防冲组合结构的防护效果最优;与无防护工况相比,在粗糙冰盖条件下新型防冲组合结构桥墩最大冲刷深度减小了59.03%;螺纹式减冲索增大了桥墩表面的粗糙度,可以更好地削弱下潜流和分离墩前迎面水流,从而达到有效防冲的目的。

新型旋转减冲装置对桩基局部冲刷防护试验研究

为减轻海上风电单桩基础周围局部冲刷对其结构安全的影响,本文提出了一种新型旋转减冲装置。在波流水槽中开展物理模型试验,改变波流条件、装置安装高度、安装距离,记录桩周冲刷发展历时,运用激光地形仪扫描冲刷坑形态,分析各工况下冲刷坑形态差异,验证装置不同安装距离、安装高度下的冲刷防护效果,提出了不同安装位置下的防护效率公式。结果表明:新型旋转减冲装置具有较好的冲刷防护效果,本试验工况下,桩周最大冲刷深度可减小44%左右。装置安装距离对冲刷防护效果影响较小,波流作用下的冲刷防护效果受装置安装高度影响显著,冲刷防护效果随装置安装高度的增加而减弱。

基于概率水文信息的桥梁基础冲刷风险及时变易损性分析

洪水作用下形成的基础局部冲刷坑是导致当前桥梁损毁的重要原因之一,而水文信息的不确定性和多层土冲刷对桥梁基础冲刷深度的预测精度有很大影响。为更加合理地评估服役期间桥梁结构的安全性能,建立了基于概率水文信息的桥梁桩基冲刷深度预测方法、风险评估曲线以及时变易损性分析模型。以某实际桥梁工程为案例展开分析,探讨了概率洪水冲刷对桥梁桩基时变承载能力、时变作用效应和时变失效概率的影响。研究结果表明,提出的方法能较好地预测随机流量情况下的基础冲刷深度与服役时间之间的关系。桩基冲刷深度预测值会随服役时间增加呈现先快后慢的增长趋势,表现为前50 a冲刷深度增加较明显,之后增加开始减慢。然而,水文信息的不确定性会导致预测结果的离散性较大,尤其是涉及多层土冲刷时。桩基时变承载能力均值和标准差的变化规律与冲刷深度的时变规律一致,相同服役时间内桩基水平承载力对冲刷深度更为敏感。概率冲刷条件下桩基的均值易损性和标准差都随服役时间的增加而逐年增大。

海底电缆覆盖物清理的移动射流过程仿真分析

在实际工况中,高压喷嘴存在横向移动的速度,使得射流对土体的冲埋深度难以预测,导致海缆表面覆盖物清理不完全。针对此问题,建立了优化后的流场与冲埋深度预测理论模型,利用数值仿真对模型进行了验证。首先,建立了一种喷嘴流场优化模型,阐述了冲埋深度的预测方法;其次,建立了水射流破土数值仿真模型,选取射流压强、喷嘴直径、喷嘴横移速度以及土壤剪切强度4种控制参数,分析了不同参数对冲埋深度的影响。结果表明,随着射流压强、喷嘴直径的增大,冲坑深度逐渐增大;随着喷嘴横移速度和土体剪切强度的增加,冲坑深度逐渐减小。最后,理论结果和仿真结果进行对比,两者误差在允许范围之内。该模型可在一定程度上解决冲埋深度难以预测的问题,可为工程应用提供指导。

海上风电大直径单桩冲刷演变规律大比尺模型试验研究

波浪作用下,KC数(Keulegan-Carpenter Number)是影响海上风电单桩局部冲刷的主要无量纲参数。利用1:14的大比尺物理模型试验,研究了不规则波作用下,海上风电大直径单桩局部冲刷形态、平衡冲刷深度和局部冲刷方量随KC数的变化规律。试验结果表明,在小KC数(KC<6)工况下,当KC数小于4时,冲刷主要发生在单桩两侧,冲刷深度较小;而当KC数超过4后,冲刷坑形态从扇形过渡到椭圆形,且最大冲刷深度显著增加。在大KC数工况下,通过对KC数重新定义改进了平衡冲刷深度计算方法,并给出了海上风电单桩局部平衡冲刷方量与KC数的关系,为单桩防护施工时的冗余量估算提供了预测方法。

波流条件下海上风电单桩平衡冲刷深度预测研究

海上风电单桩基础的冲刷问题一直是制约风电行业发展的关键问题,精确预测单桩冲刷深度具有重要意义。基于M5′模型树算法建立了多种波流条件下的单桩基础平衡冲刷深度预测模型。首先,获取单桩冲刷物理模型试验数据集,同时识别影响冲刷预测的关键无量纲参数。随后基于M5′模型树算法建立若干个输入参数与输出参数的组合预测模型,以统计指标相关系数、一致性指数、散布指数和偏差等统计参数为评价指标,对比评价各预测模型以及前人的预测公式。结果表明:在水流单独作用下,输入参数组合选取相对水深、弗劳德数、相对中值粒径、雷诺数能获得最佳预测效果;在波浪单独作用下,KC数和散射参数是预测冲刷深度最重要的控制参数;在波浪与水流共同作用下,最优的输入参数组合为弗劳德数、雷诺数以及相对中值粒径。研究结果能够指导单桩冲刷深度预测,提高预测准确性。

波流作用下淹没单桩与群桩基础周围海床冲刷试验研究

海底桩基础在海洋工程中被广泛应用,然而,对于淹没桩基础结构局部冲刷问题的研究较少。基于一系列实验室水槽试验,研究了在波浪和水流共同作用下淹没单桩和群桩基础周围的局部冲刷问题,分析了局部冲深历时特性、影响因素及冲刷坑形态特征。研究结果表明,对于单桩基础,床粗糙度K_(d)的增大削弱了波流工况的差异,当结构比K_(h)在1.00~2.33范围内时,相对时间尺度T_(c)逐渐增大,而当K_(h)>2.33时,T_(c)开始减小。对于群桩基础,群桩的冲刷深度历时特性与单桩相似,但排列的群桩对桩基底部水流的紊动有抑制作用,并且在桩间距系数K_(sp)较小时形成整体冲刷坑,在K_(sp)较大时局部冲刷坑有逐渐分离的趋势;随着K_(h)和K_(sp)的增加,T_(c)增大,但K_(sp)的增加使T_(c)的增长速率减小。提出采用K_(h)、K_(d)、K_(sp)预测平衡冲刷深度的修正方程,可较准确地预测文中试验中波流作用下单桩与群桩基础的平衡冲刷深度。

不同冰盖条件下导流体对桥墩局部冲刷防护作用研究

基于桥墩基础的减冲防护原理,设计了一种稳定性高的防冲装置—导流体。为探究导流体对桥墩局部冲刷的防冲效果,在不同流速及覆盖条件下,采用不同形状的导流体进行模型试验。通过分析冲刷特性、最大冲坑深度、下潜流水力特性、冲坑体积和冲坑面积,选出最优形状和最佳安装位置。试验结果表明:当导流体底边高8 cm、安装位置在墩前2d时,防冲效果最好;当流速为0.32 m/s时,安装导流体可使桥墩最大冲深减小59.3%,冲坑体积减小76.1%,冲坑面积减小79.0%,下潜流流速及紊动强度明显减小。通过敏感性分析得出安装距离是影响导流体防冲效果的主要影响因素。

考虑冲刷深度影响的海上风力机减震控制研究

为分析冲刷深度对海上风力机(offshore wind turbine, OWT)吸振阻尼系统鲁棒性的影响,选用NREL发布的某5 MW单桩海上风力机作为研究对象,采用大直径p-y曲线法考虑桩土耦合效应,研究了冲刷深度对碰撞调谐质量阻尼器(pounding tuned mass damper, PTMD)与调谐质量阻尼器(tuned mass damper, TMD)减震效果影响规律。数值分析结果表明:随冲刷深度增加,风力机前三阶频率均呈下降趋势,其中一阶频率下降1.1%,三阶频率下降达7.8%;随冲刷深度增加,风力机塔筒地震响应总体呈放大趋势;TMD与PTMD均能有效控制海上风力机在地震荷载作用下的动力响应,PTMD的减震效果略高于TMD;按无冲刷工况对阻尼器进行设计,两种阻尼器的减震效果随冲刷深度的增加呈现放大的趋势,对冲刷引发的失谐现象均表现出了足够的鲁棒性。

冲刷条件下桩基础水平承载特性研究

为了研究冲刷条件下桩基础水平承载力学性能,文中建立了冲刷条件下群桩基础的有限元模型,分析冲刷深度对群桩桩身的水平位移、桩身弯矩以及桩身剪力的影响。结果表明,前排桩的水平位移随着桩深度增加的降低速率为4.85 mm/m,后排桩的水平位移随着桩深度增加的降低速率为4.21 mm/m。与无冲刷条件相比,冲刷后桩身的水平位移显著增加,前排桩桩身弯矩和剪力的反弯点位置均下降;桩身的弯矩及反弯矩值明显增加,前排桩的最大弯矩值增加了75.8%,后排桩的最大弯矩值增加了72.7%;桩的转身剪力反弯点位置降低,桩身的剪力及反剪力值明显增加,前排桩的最大剪力增加了89.3%,后排桩的最大剪力值增加了72.1%。

广西北部湾海上风电桩基局部冲刷计算与模拟研究

海上风电场桩基局部冲刷是风电场设计和运维的重要研究内容,其冲刷深度和冲刷半径受海底地形、底质类型和波浪及潮流叠加作用而复杂多变。本文选取广西北部湾某拟建风电场为研究区,基于海底地形地貌、表层沉积物和周年波浪及潮流现场观测数据,对比分析各桩基局部冲刷经验公式的适用性,并选择适用于本海域底床特征的公式分析研究风电场桩基在不同海洋动力条件和风机布置方案条件下的冲刷特征。结果表明,工程海域的海床底质主要为粉砂质砂,推荐采用王汝凯公式进行局部冲刷的经验公式计算。考虑往复流对单向流的折减系数,风电场代表桩基的最大冲刷深度为5.86~6.88 m,冲刷半径为14.15~15.91 m。基于本工程风机基础的具体几何形态,建立了风机基础的泥沙运动和海床冲淤数学模型,对场址内12.5、13.7及14.0 MW三种风机布置方案开展了冲淤模拟,对比分析了3种风机布置情况下的冲刷特征,比选给出14.0 MW风机布置方案为推荐方案。

基于任意拉格朗日欧拉方法的射流破土仿真分析

基于任意拉格朗日-欧拉方法对射流破土过程进行仿真分析。以琼州海峡黏土质砂为研究对象,选用MAT-FHWA-SOIL模型建立土体材料本构。运用LS_DYNA软件建立包括射流源、喷嘴、水域及土体的仿真模型,探究射流破土机理。并讨论射流关键参数对破土效果的影响,对射流压力、喷嘴直径、射流靶距进行单因素研究。研究发现在其他射流参数不变的情况下,射流压力增大1倍,最大冲坑深度也增大1倍;土体的冲蚀体积会随着射流压力的增大而增加,与射流时间近似呈线性关系;喷嘴直径从5 cm增大到9 cm时,最大冲坑深度增幅为43%。在20~60 cm之间的射流靶距对清理效果的影响较小。该研究可为海底电缆抢修的射流破土作业过程提供依据。

珠三角网河区河床冲刷深度计算与演变趋势分析

河床冲刷深度对穿河隧道的安全埋深设计至关重要。埋深不足会导致隧道运行安全和河道行洪安全受到威胁,而埋深过深会造成不必要的投资浪费。以珠三角网河区穿河隧道为例,基于河道地质和水文条件,对河床演变趋势进行深入分析,并采用规范推荐及业内常用的冲刷深度计算公式进行详细计算。通过对计算结果的比较分析,确定了合理的河道冲刷深度取值,为类似工程提供了参考依据。