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。

牺牲桩截面特性对圆柱桥墩局部冲刷的影响试验研究

墩前牺牲桩防护是减小桥墩局部冲刷的主要措施之一,现有的牺牲桩防护桥墩局部冲刷研究主要集中在圆形截面,关于牺牲桩截面特性对桥墩局部冲刷的影响关注较少。通过单向流循环水槽构建冲刷环境,开展不同直径与不同截面牺牲桩防护单桩桥墩局部冲刷物理模型试验,并通过水下高清摄像以及倾斜摄影测量技术实现对局部冲刷深度发展历程和冲刷平衡时刻冲刷坑形态的精准测量,进而探究牺牲桩直径与截面形式对单桩桥墩局部冲刷防护效果的影响规律。试验表明:牺牲桩直径与截面形状是影响桥墩局部冲刷防护效果的关键因素,牺牲桩的防护效果随牺牲桩直径的增大而增强,相比方形和圆形截面牺牲桩,菱形截面牺牲桩对桥墩的冲刷防护效果更好;牺牲桩防护会影响后方桥墩冲刷坑变化的剧烈程度,防护效果越好,后方冲刷坑变化越平缓;牺牲桩防护会缩短冲刷达到平衡状态的时间,牺牲桩直径越大,到达冲刷平衡状态的时间越短。采用牺牲桩开展桥墩局部冲刷防护时,应合理确定牺牲桩尺寸和截面特性,从而提高冲刷防护效果。

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。

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。

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.

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。

黏性非均匀沙的冲刷

黏性非均匀沙起动和冲刷研究对于河口海岸工程的设计和安全具有重要的意义。在作者从概率论和力学角度所提出的黏性非均匀沙起动摩阻流速公式的基础上,建立起黏性非均匀沙的起动流速和冲刷率公式。在钱塘江河口河床获取2个钻孔共28个岩芯,进行起动和冲刷水槽试验。起动流速公式计算值与沙样起动试验数据符合良好,表明该公式能较好反应黏性非均匀沙的起动现象。进而根据冲刷试验资料确定了冲刷率公式的指数和冲刷常数,发现未充分固结的淤泥冲刷率与相对剩余切应力的二次方成正比,而固结已久的淤泥冲刷率与相对剩余切应力呈线性关系,冲刷常数分别为(2～3.5)×10-5 m/s和(1～2)×10-6 m/s,两者差一个数量级。

桥墩基础局部冲刷抛石防护性能波流水槽试验研究

作为应用最为广泛的桥墩基础局部冲刷防护措施之一,抛石防护受到国内外学者越来越多的关注。通过波流水槽模型试验,研究了抛石粒径、抛石层厚度和抛投范围等主要设计参数对抛石防护效果的影响,并对比分析了中美两国规范关于抛石粒径的选取方法。试验结果表明,合理的抛石配置方式能有效地减小桥墩基础局部冲刷,使冲刷平衡时间延后;抛石层厚度为3~4倍抛石粒径、抛投范围为3倍桩径时,防护效果和经济性较佳;对于抛石粒径的选取,流速较大时,美国规范的计算结果偏大,而中国规范则偏小,流速较小时,建议可以采用工程经验方法确定。

弃渣型泥石流输沙速率模型试验研究

近年来,弃渣型泥石流灾害时有发生。为了探索弃渣型泥石流输沙速率,以陕西省小秦岭金矿区的大西岔沟为研究背景,对大西岔沟泥石流的孕灾条件和成灾特征进行了详细的野外调查,发现该区域地形陡峻,弃渣总储量丰富,具备良好的泥石流孕灾条件。同时,泥石流在沿程运动和演化过程中,将具有明显的沿程放大和链生特征。结合野外调查资料,理论推导了弃渣型泥石流输沙速率的计算方法,并根据相似准则设计了水槽模型试验,对计算理论中的冲刷系数进行了率定。试验数据表明冲刷系数的取值范围在3.2×10^(-5)~7.1×10^(-5)m·s/kg之间。这些率定参数将用于后续的小流域泥石流产汇流过程研究之中,同时也为该区域其他相关研究以及泥石流监测预警提供科学参考。

常泰长江大桥主航道桥桥塔基础选型研究

常泰长江大桥主航道桥为主跨1176 m公铁合建斜拉桥,桥塔基础采用沉井方案。为降低沉井自重和减少桥墩局部冲刷,采用理论分析、数值模拟与水槽冲刷试验相结合的方式对沉井基础型式进行研究。结果表明:在圆端形、梭形及矩形3种截面型式的沉井中,圆端形截面沉井的水流阻力系数最小;台阶型沉井相比传统沉井可以削弱墩前向下旋辊及减小墩侧高流速区的范围;台阶型沉井台阶宽9.0~10.0 m、台阶顶埋深位于0.6 H(H为沉井周边水深)处、挡墙高度为0.15 H时,可以起到较好的减冲刷防护效果。根据研究结果最终确定该桥采用圆端形截面台阶型沉井基础,其底面尺寸为95.0 m×57.8 m(横桥向×顺桥向),圆端半径28.9 m,台阶宽9.0 m,埋置在床面以下0.6 H处,台阶顶构造采用直角挡墙方案(挡墙高约4 m)。

裸露穿河管道在压重块保护下的冲刷特性

水流冲刷引起河床变形的不确定性对水下穿越管道的安全运行造成威胁。为了探究裸露穿河管道在压重块保护措施下的冲刷特性,通过水槽模型试验,研究压重块长度、压重块布置间距、水流流速、河道水深等因素对管道周围河床地形和冲刷深度的影响。试验结果表明:水下穿越管道在压重块保护措施下的冲刷过程可分为冲刷坑形成、压重块迎流侧悬空、管道迎流侧悬空和冲刷平衡4个阶段;管道的最大冲刷深度与流速和压重块长度正相关,与水深和压重块布置间距负相关;采用量纲分析法得到了无量纲冲刷深度与压重块长度、压重块布置间距、弗劳德数之间的函数关系式。研究成果可为水下穿越管道压重块保护措施的设计、建造及运营维护提供重要的理论支撑。

钱塘江河口近口段取水口附近河床局部冲刷试验研究

拟建杭州市桐庐县水厂取水口位于富春江电站下游4.5 km处,属于钱塘江近口段,以径流为主,取水口的设置将引起河床局部冲刷,由于取水口结构复杂,且取水的时候,还存在局部流态改变,无法用公式计算局部冲刷,因此首先采用实测资料进行工程河段河势分析,再利用水槽模型试验可以探讨在一定洪水作用组合不同取水流量下取水口周边的局部冲刷深度。通过试验表明,在100 a一遇洪水作用下,当单孔取水流量最大时,局部冲刷深度最大,范围也较大,当不取水的时候,冲刷深度相对最小,范围也较小,成果可为工程建设、运行安全等提供技术支撑。

石笼网垫护坡结构抗冲刷性能水槽模型试验

石笼网垫护坡结构在河流岸坡生态防护工程中应用较为广泛,网垫结构技术参数对其护坡效果影响较大,不同网垫厚度、隔板间距及网垫内碎石填充情况等都会对其抗冲刷性能产生一定影响。通过室内大型水槽模型试验,研究确定不同厚度、不同隔板距离、不同逊径颗粒含量下石笼网垫护坡结构破坏的临界流速,揭示不同水流冲刷作用下网垫结构的变形过程与破坏规律。通过临界流速定义石笼网垫护坡结构抗冲刷性能,以此确定石笼网垫护坡结构设计的最优参数。水槽冲刷试验结果表明:逊径配比对石笼网垫的抗冲刷性能具有显著影响,建议网垫内填石的逊径配比不超过15%;隔板间距较小时,填石间可移动孔隙较小,易形成整体稳定结构,故在施工工艺可行的条件下,减少隔板间距可提高填石的稳定性和石笼网垫的抗冲性;为保证填石的相对稳定,石笼网垫应保证至少有2层填石,考虑填充率的因素,最优厚度应为网垫内部填石中值粒径的2倍。

基于水槽模型试验的人工鱼礁局部冲淤研究

为提高人工鱼礁建设选址和礁体设计的科学性,基于试验水槽对2种人工鱼礁在粉砂黏土上的局部冲淤情况进行了物理模型试验,通过地形测量和理论分析,研究了5组不同流速条件下2种人工鱼礁礁体结构的局部冲淤情况。结果表明,在粉砂黏土底质上,流速小于0.22 m·s^−1时,泥沙扰动小,2种礁体的周围局部冲刷小,冲淤形态以礁体底板附近浮沙堆积为主,且随速度增大而增高;流速大于0.22 m·s^−1时,洗掘现象较为明显,鱼礁周围冲刷坑范围及深度随流速的增大而增加,而礁体周围泥沙堆积高度随速度增大而减小。支撑结构较为复杂的A礁冲淤现象显著且复杂,冲刷坑深度最大值位于礁体中间底部,为−15 mm,且在礁后1倍礁高处出现长尾状泥沙堆积,其在0.27 m·s^−1流速时达到最大值5 mm;而B礁冲淤现象不显著,仅在底板附近出现少量堆积与冲刷坑,但由于底板开口比较大导致B礁发生沉降。因此今后的研究应结合建设选址海域的底质及水文特征对礁体支撑结构和底板进行优化设计并进行模型试验及数值模拟,以避免礁体冲淤严重引起沉降、掩埋等现象,从而影响鱼礁建设效果。

武汉天兴洲公铁两用桥2~#浮运围堰施工期局部冲刷试验研究

通过武汉天兴洲公铁两用桥2#浮运围堰下沉模拟试验,分析了在浮运围堰下沉期间不同阶段围堰周围水流流速、紊动强度及河床局部冲淤情况.针对浮运围堰下沉期间的水流及河床地形等条件,对浮运围堰下沉时河床局部冲刷深度进行了预测,试验预测结果与实测资料较为吻合.

山地河流穿越管道冲坑扩展规律的试验研究

合理预测山地河流穿越管道的未来埋深和悬空长度对其安全运营至关重要。本文以北干线输气管道穿越工程为研究对象开展了水槽模型试验,观测分析河流穿越管道附近河床演变趋势,研究流量、水深和管径等因素对冲坑扩展规律的影响。结果表明:河床演变主要由推移质泥沙输移引起,而随着管径的增大,在管底形成冲坑点的次数逐渐减少;管底形成冲刷之时冲坑竖向扩展速率很大,随着管涌的发生,冲刷速率逐渐减小,冲刷深度逐渐增大;管底冲坑竖向扩展过程满足一级动力学反应方程,归一化处理后得到了冲刷深度与冲刷时间之间关系式;水动力条件、管径和沙粒特性共同影响管底极限冲刷深度,采用Gauss-Seidel迭代法得到无量纲冲刷深度与相对泥沙粒径和弗劳德数Fr参数的关系式;当Fr>0.6时,冲坑横向扩展仅为初级扩展一个阶段,当Fr<0.6时,冲坑横向扩展过程包含初级扩展和次级扩展两阶段;最后,结合试验数据和冲坑竖向扩展经验模型,推导出冲坑横向扩展速率计算公式,且模型预测结果较好。研究结果可为探究山地河流穿越管道冲坑扩展规律及管道后期安全运营维护提供重要参考价值。

海上风电单桩基础海流局部冲刷及防护试验研究

以圆柱型单桩基础模型为研究对象,开展单向流和潮汐流作用下的局部冲刷试验,研究不同海洋来流形态下单桩局部冲刷规律及防冲刷护圈的防护效果。结果表明:潮汐流作用下的最大冲刷深度为单向流作用下的60%~80%;防冲刷护圈对单向流和潮汐流均有明显的防护效果,且对潮汐流的防护效果更为明显;护圈安装高度的降低和外径的增大在一定范围内都能提高防冲刷护圈的保护效果。

无黏性非均匀沙在清水冲刷下的冲刷率

无黏性非均匀沙冲刷率的确定对于确定山区河流河道冲刷的程度有很重要的意义。在沙莫夫泥沙起动摩阻流速公式和大量试验的基础上，建立了无黏性非均匀沙的冲刷率公式。冲刷水槽试验数据用最小二乘法拟合，得到了冲刷率和相对切应力的相关关系。试验结果表明，两者存在较好的线性关系。

沉井基础局部冲刷形态的体型影响效应与动态演化

针对砂土中沉井基础局部冲刷形态的体型影响效应开展波流水槽模型试验研究,并与中国、美国和新西兰规范的冲刷深度计算公式进行对比分析。试验设计了圆形和方形2种形状的沉井基础,在给定水深和流速条件下进行冲刷试验,重点考察了沉井基础的形状、尺寸和布置方式等体型因素的影响规律。研究结果表明:圆形沉井最大冲刷深度和冲刷范围分别位于迎水侧和背水侧的45°范围附近,其冲刷深度随着沉井直径增大而有所增大;根据圆形沉井周围冲刷形态的动态演变特征,可将其形成的局部冲刷形态分为清水冲刷区、动床冲刷区和冲刷沉积区3个典型区域;方形沉井的冲刷主要发生在方形角点的附近,在不同的角点位置,其冲刷程度有着明显的区别;与中国、美国以及新西兰规范的冲刷深度计算方法对比表明,这3种规范方法对于小直径沉井的计算结果与实测值均大致相当,但对于直径较大的沉井基础则都存在着显著的误差,需要进行适当的修正,以反映体型效应对于沉井局部冲刷深度的影响。

黏性-砂性土层中群桩基础冲刷特性波流水槽试验研究

由黏性与砂性土层交互而成的复合地层在我国具有较为广泛的工程地质背景,目前对此类地层中的桩基础冲刷机理缺乏较为深入的研究。本文通过波流水槽试验,对黏性-砂性土层的局部冲刷机理进行了研究。在单桩试验中,上覆黏性土层分别采用0.5 cm和1.0 cm的两种厚度;在双桩的串排和并排试验中,均采用厚度1.0 cm的上覆黏性土进行冲刷试验,并与砂性土试验结果对比分析。试验结果表明,由于上部黏性土层产生一定的束缚作用,黏性-砂性土层中的冲刷往往比单一砂性土层的最终冲刷深度小;而冲刷发展过程中,由于黏性-砂性土分层界面的存在,使得冲刷曲线存在临界转折点,该临界点前后冲刷速率发生明显变化,这种突变在工程中存在着安全隐患。