清水冲刷下顺直河道交错边滩演变过程试验研究

为进一步认识清水冲刷下顺直河道交错边滩的演变过程,基于长江中游典型边滩形态参数,采用概化水槽试验对不同流量条件下的交错边滩纵向、横向和平面冲淤变化进行了研究。结果表明:试验工况下,纵向上,沿程呈冲刷态势,流量越大,冲深越大(流量为215 L/s的深泓平均冲深约是流量为46.71 L/s的2.1倍),且大流量下深泓纵向比降变缓;横向上,边滩侧以冲刷为主,冲刷最大的位置在滩边附近,其它部位则呈冲刷—淤积—冲刷的变化规律(如流量为215 L/s时,2#断面边滩以外部分(0,2]h平均冲深约3.5 cm、(2,12]h平均淤高约0.5 cm、(12,21]h平均冲深约0.7 cm);平面上,边滩整体下移,变得细长,淤积主要发生在边滩下游1m范围内。此外,上游异岸边滩的存在初期会促使下游边滩淤积,而后加深下游边滩的冲刷,且对边滩坡脚影响最大。

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。

塔里木河植被根系对河岸冲刷特性影响的现场试验

为研究现场条件下植被根系对河岸冲刷特性的定量影响,设计制作了冲刷试验装置,在塔里木河干流上游选取了4个典型位置,开展了胡杨、芦苇、红柳和骆驼刺4种典型根系的18组土体起动切应力和冲刷系数现场试验。试验结果表明:①起动切应力随根系含量增大基本呈幂函数关系增大,且相同根系含量对应起动切应力红柳最大,胡杨和骆驼刺次之,芦苇最小;分析了单位根系含量变化对起动切应力的影响效果,其顺序为骆驼刺>胡杨>红柳>芦苇。②建立了起动切应力与根系体积密度的定量关系式;根系的存在可以减小土体冲刷系数,其值随根系含量增大基本呈幂函数关系减小,且单位根系含量增加对冲刷系数的减小效果次序为骆驼刺>胡杨>红柳>芦苇。③建立了有、无根系影响的冲刷系数与起动切应力幂函数关系式,并与已有试验结果进行了对比分析;本文试验结果与现有研究结果规律一致,但对应的系数和指数均有所差异。研究成果能为塔里木河植被护坡和河岸冲刷过程计算提供参考依据。

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。

面向桥梁冲刷动力识别的水槽物模试验研究

为定量分析与验证研究桥梁冲刷动力识别,同步动力特性与冲刷发展的实测数据并验证该方法的有效性.依托张靖皋长江大桥桥塔主墩冲刷设计,利用大型水槽水文-结构物理模型对基础冲刷发展全过程进行试验模拟,基于多组别试验“冲刷-基频”同步实测数据,研究墩桩振动频率随冲刷深度发展的演变规律,定量分析桥梁冲刷动力识别方法的敏感性与准确性.结果表明:3组冲刷试验均造成基础边界条件极大改变,且冲刷越剧烈,结构频率下降比例越大;基础自振频率与冲刷时间成近似线性关联;自振频率平方与冲刷深度成显著线性关联.动力识别方法对桥梁冲刷发展具有较高敏感性,可有效应用于区域性桥群冲刷异变快速检测,并为重点桥梁进一步水下筛查提供数据支撑与准确依据.

棕丝改良黏性土抗开裂抗冲刷特性试验研究

通过一系列试验研究了棕丝改良黏性土的抗开裂特性和抗冲刷特性,并分析了棕丝含量对黏性土的改良效果.试验结果表明:棕丝是一种柔性纤维材料,将其加入黏性土中可有效减少土体中宽大裂隙的产生,但加入的棕丝纤维含量过多时,纤维易发生重叠,影响棕丝纤维与土颗粒之间的有效接触,降低土颗粒之间的相互作用力,使得土体产生加筋效应,表面出现细小裂纹;将棕丝纤维加入黏性土中后,棕丝纤维可均匀分散在土体中,纤维与纤维相互交织形成立体的空间结构,并与土颗粒形成团聚体,从而可提高土体的抗冲刷特性,但加入的棕丝纤维含量过多时,加筋效应产生的小裂隙反而给雨水入渗提供了引流通道,使得土体间的孔隙增加,土体的抗冲刷特性反之下降;当棕丝掺量为0.4%时,棕丝改良黏性土的抗开裂性能最优;当棕丝掺量为0.6%时,棕丝改良黏性土的抗冲刷性能最优.

螺旋桨和导管桨尾流冲刷的试验研究

通过对400 rpm、500 rpm和600 rpm三种不同转速条件下导管桨及螺旋桨的尾流冲刷开展试验研究,对冲刷后的沙坑进行测量,构建各时刻高程点阵获得沙坑几何形状。经过对比分析发现:随着冲刷的发展,冲刷坑慢慢趋于稳定,稳定后的冲刷坑并不沿轴线对称,其最大冲刷深度和最大沉积丘高度分别位于轴线的两侧。随着转速的增加,冲刷愈发剧烈,形成更深和更长的尾流冲坑,形成更高的沉积丘。在相同转速条件下,导管桨的冲刷坑比螺旋桨的冲刷坑更长、更窄和更浅。

伶仃洋大桥东锚碇筑岛围堰冲刷试验研究

深中通道伶仃洋大桥为主跨1666 m的三跨钢箱梁悬索桥,其东锚碇为海中重力式锚碇,采用水中筑岛+地连墙支护的施工工艺,筑岛结构为“锁口钢管桩+工字型板桩+平行钢丝索”组合式围堰结构,筑岛直径150 m,由于筑岛面积较大且施工区域台风频发等特点,受海域水动力的影响局部会发生严重的冲刷和淤积,产生施工风险。通过多工况冲刷模型对比试验和有限元计算,结果表明:回填砂能够有效减小河床的冲刷,回填碎石的起动流速大于平均流速0.6 m/s下的围堰局部最大流速0.91 m/s,不易受水流力的影响;同时先施工上、下游侧,再施工顺水流两侧的施工顺序能够将大部冲刷面积限制在筑岛围堰外侧,能够有效地保障围堰内抛填质量,成岛后在外围施工20 m膜袋砂的防护结构作为抗台储备时,防护外的实际冲刷深度控制在5 m左右,围堰结构稳定、防护结构形式安全可靠。

水中巨型沉井冲刷试验与数值计算对比分析

针对模型试验和数值计算在研究桥墩冲刷过程中存在的不足,尤其是淤泥质粉质黏土冲刷过程中存在的问题,结合常泰长江大桥5号墩水中沉井实际工程地质条件,开展地质不分层、分层工况下物理模型试验与数值计算的对比分析。研究结果表明:物理模型试验和数值计算的最大冲刷深度均随流速的增大而增大,且在同一原型流速下,物理模型试验的最大冲刷深度大于数值计算的最大冲刷深度;原型流速1.5m/s作用下,基本可将表层粉砂层冲掉,粉质黏土层基本无冲刷;原型流速2.5m/s作用下,最大冲刷深度未到粉质黏土层底标高,粉质黏土层阻冲刷效果明显;地质不分层条件下,物理模型试验和数值计算的冲刷形态相似;地质分层较大流速作用下,物理模型试验中沉井两侧未形成明显淤积,而数值计算中沉井中部和尾部两侧淤积明显;数值计算的冲刷结果更加贴合实际,而物理模型试验的冲刷结果相对保守。

基于生态护坡射流试验的抗冲刷特性研究

植物根系对土体的力学效应是提高边坡抗冲刷性能的重要因素,为了解植物根系在成片水流下的抗冲性能,以常见的水土保持植物高羊茅和狗牙根为例,对植物模型边坡进行射流冲刷试验,对比探讨了不同种类植物根系边坡的冲刷破坏机理。结果表明,各工况下高羊茅边坡、狗牙根边坡及素土边坡的平均侵蚀深度ΔDAE的变化规律具有相似性和一致性,随冲刷流速增加均呈指数函数增加,随冲刷角度增加均呈线性函数增加;各工况下平均侵蚀深度大小普遍为高羊茅<狗牙根<素土;各流速下高羊茅的平均侵蚀深度降低值ΔDAE略大于狗牙根;当冲刷角度一定时,两种植物边坡均在流速为1.6 m/s时各角度的ΔDAE最大,流速高于1.6 m/s后逐渐降低;当冲刷流速一定时,随冲刷角度的增加,ΔDAE有减小趋势。

水流强度对淹没式方桩局部冲刷特性的影响

为研究不同水流强度作用下淹没式方桩的局部冲刷特性及流场变化,开展了非均匀沙条件下的桩基局部冲刷试验,分析了桩周的冲刷地形、冲刷深度变化规律;利用OpenFOAM对不同水流强度下的桩周流场进行了模拟,讨论了桩前马蹄涡、桩周回流和下降水流的分布特点。结果表明:在清水冲刷条件下,桩周的冲刷坑深度、沙丘高度和受冲刷影响区域大小均随水流强度的增大而增大;在平衡冲刷地形下,高水流强度冲刷后桩周流动更加复杂,冲刷坑内的涡流强度大幅度提高;当水流强度接近1时,粗颗粒泥沙对细颗粒的屏蔽效应会在一定程度上影响桩周最大冲刷深度。

新型海上风电基础地基冲刷深度试验研究及床面剪切力分析

海洋环境作用下海上风电基础周围海床会产生显著冲刷,冲刷深度过大会严重影响风电结构体系的安全。复合筒型基础是一种新型的浅基础,其对冲刷的敏感性更大。以新型的海上风电复合筒型基础为研究对象,开展了波流作用下基础周围地基冲刷特征的物理模型试验,探究了基础周围海床的冲刷变化规律及最大冲刷深度,基于波流-复合筒型基础-地基相互作用的数值模型分析了海床表面剪切力的分布特征,考察了最大冲刷深度与最大床面剪切力的关联性。研究结果表明:波流作用下复合筒型基础最大冲刷位置位于基础后方、毗邻基础的位置,最大冲刷深度随波高、周期、流速的减小而减小,基础周围海床最大冲刷深度与其最大床面剪切应力的分布有一定的相关关系。

某海上风电场基础结构防冲刷物理模型试验

采用2种防冲刷方法对单桩基础进行防护物理模型试验,研究不同防冲刷方法在某海上风电场海况下的防冲刷效果,并进行不同防冲刷方法的成本分析。结果表明,混凝土联锁排防护比抛石防护具有更佳的防护效果。混凝土联锁排防护可通过柔性变形适应土体变形,达到有效防止沙土流失的效果。经综合考虑,抛石防护搭配混凝土联锁排防护为最适合该风电场水文环境的防护方法。

不同盐度固结黏性泥沙的冲刷试验研究

在近海岸及河流入海口,由于潮汐等因素的影响,泥沙的盐度条件十分复杂。为更好地研究近海岸及河口复杂盐度条件下海岸及河岸的侵蚀速率,将两种不同级配的泥沙制成含盐度分别为0‰、5‰、10‰、20‰、30‰、40‰的固结泥块,测定了其干密度、含水率等物理性质指标,并开展固结泥块冲刷特性的水槽试验研究,分析了固结泥块的冲刷系数与起动切应力、起动切应力与干密度、干密度与盐度之间的关系,得到了冲刷系数随盐度变化的表达式。分析结果表明:在0‰~40‰的盐度范围内,盐度(x)越大,冲刷系数(k d)越小,泥块越不易被冲刷,其拟合关系为k_(d)=-0.0141x^(1.883)-0.2376x^(1.115)+78.9017。研究结果可以为海岸和河流边坡的防护、海岸和河岸的侵蚀速率计算提供参考。

防冲刷V型球阀设计仿真与试验研究

针对V型球阀因单点冲刷导致阀体内腔和阀座磨损等问题,研究设计了防冲刷V型球阀,设置具有挡流功能的挡流板阀座。在小开度下对挡流板的防颗粒、改变流向和减小涡流作用进行了分析,并进行了阀体耐压试验、阀座密封试验和小开度涡流试验。结果表明,阀体无可见变形和渗漏,内侧泄漏量为12.5 mL/min,小于国家标准15 mL/min泄漏量,当相对开度为40%,30%和20%时,入口和出口质量流量分别为0.32,0.24,0.19 kg/s和0.05,0.03,0.016 kg/s,挡流板对砂粒等颗粒物质起到了阻挡过滤作用,改变了液流方向,减少了涡流,降低了颗粒物质对内腔的磨损。研究结果对于V型球阀在小开度工作,阻挡颗粒介质的冲刷,提高使用寿命具有重要意义。

轴线倾斜海底管道冲刷速率试验研究

通过物理模型试验研究水流作用下轴线倾斜海底管道的三维局部冲刷问题。利用超声波探头监测管道下部冲刷沿管轴线方向的扩展过程,分析海底管道三维局部冲刷的动态发展机理。由模型沙的冲蚀试验,建立沙床面剪切应力与泥沙表观侵蚀速率之间的关系式,并引入经验公式对沙床面剪切应力放大系数、泥沙表观侵蚀速率以及远场床面剪切应力之间的关系进行表达。由倾斜管道模型试验,在分析冲刷扩展位置随时间变化数据的基础上,结合上述经验公式以及沙床面剪切应力放大系数与管道埋深的关系,建立轴线倾斜海底管道冲刷扩展速率的预测公式。

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。

抗冲刷混凝土坍落度试验研究分析

本文通过研究骨料、高效减水剂(SP)、水灰比(W/C)、抗冲刷剂(AWAs)和不同配合比对UWC屈服应力和塑性粘度的影响。比较了试样在空气和水下的扩展直径之间的差异(Δd)。研究结果表明,混凝土在水下的流动性小于在空气中的流动性,且屈服应力与Δd之间存在显著的相关性。SP用量和W/C越大,新拌UWC的屈服应力和塑性粘度越小。

基于模拟路基试验的公路边坡冲刷深度影响因素

为了探讨公路边坡冲刷深度的主要影响因素,通过建立模拟路基模型,进行模拟路基试验,研究了压实度、冲刷时间、水流速度等因素对不同位置边坡冲刷深度的影响规律。试验结果表明:边坡最大冲刷深度随着压实度的增大而降低、随着冲刷时间和水流速度的增大而增大,冲刷深度与压实度和水流速度之间分别具有线性相关和指数相关关系,增大压实度可以有效提高边坡的抗冲刷能力。

陡窄河谷挑流消能下游边坡防冲试验研究

基于拉哇水电站溢洪洞采用挑流消能,对陡窄河谷下游边坡冲刷问题进行了试验研究。通过可视定床模型,对边坡水力学参数进行分析,并与边坡动床试验进行了对比。试验成果表明:扭曲挑坎的水流流态、岸边流速以及脉动压力等指标均优于斜切挑坎,岸边最大压力点高程与基岩抗冲流速等值线最低点高程相近;采用散粒体模拟陡峻边坡,边坡冲刷形态与定床岸边流速规律呈现较好的相关性,能较好地反映陡峻基岩边坡受水流冲刷作用的破坏范围。研究成果对类似工程的岸坡支护分区划分、防护深度确定和支护结构型式的设计具有一定的借鉴意义。