水流作用下圆柱桥墩局部冲刷特性与防护措施研究

摘要

随着国家“一带一路”倡议和“海洋强国”战略的提出，我国在水运工程事业中也取得了一系列的辉煌成绩。越来越多的跨河、跨海桥梁在世界范围内建设，而这些桥梁不同于一般的公路桥梁，在车辆、风、地震等荷载作用的同时，也会时刻遭受到复杂的水环境侵袭，更加容易造成桥梁结构破坏。国内外学者对桥梁灾害原因进行了分析和统计，发现大部分的桥梁事故是由于基础冲刷或其他水力因素造成的。桥梁结构在内河和海洋中发挥着重要的经济功能和战略意义，其结构稳定性和耐久性尤为重要。因此，开展桥梁基础局部冲刷特性及冲刷防护措施的相关研究，对降低桥梁冲刷灾害、保障桥梁结构安全具有重要意义。本文采用水槽试验和数值模拟结合的手段，对水流作用下桥墩局部冲刷特性和基础冲刷防护措施进行了研究，主要研究内容如下：　　(1)对泥沙起动流速、试验平衡冲刷时间等关键参数进行研究，开展单向流作用下的圆柱桥墩冲刷试验，从流速、水深两方面揭示了不同水流条件对单墩周围局部冲刷特性的影响，也对单向流和往返流这两种来流情况进行了对比分析。　　(2)建立了考虑边界层效应的单向流CFD冲刷数值模拟框架，以RANS方程作为控制方程，在确保数值流速剖面与实际水槽剖面吻合后，从墩周流场、压力系数和最大冲刷深度对数值模型进行验证，确保软件的准确性和可行性。　　(3)利用数值模拟手段，对不同水流条件、泥沙参数和结构尺寸等进行研究，探明各种冲刷影响参数对圆柱桥墩局部冲刷特性的影响规律，采用拟合精度较高的最大冲刷深度计算公式，预测出各数值工况的平衡冲刷深度。　　(4)通过开展水槽试验，探明了单向流作用下护圈安装高度、防护外径和防护范围对圆柱桥墩周围局部冲刷的影响情况，对比分析了单向流和往返流的防护规律，提出了一个针对护圈防护效率的计算公式，最后结合数值模拟研究了护圈对冲刷的防护机理。

目录

声明

第 1 章 绪论

1.1研究背景及意义

1.2国内外研究现状

1.2.1桥墩局部冲刷作用机理

1.2.2冲刷影响因素及计算公式

1.2.3冲刷防护措施进展

1.2.4现有研究的不足

1.3主要研究内容和技术路线

第 2 章 圆柱桥墩物理模型冲刷试验

2.1试验水槽

2.2造流模拟控制系统

2.2.1造流系统组成

2.2.2造流系统操作流程

2.3试验方案与工况设计

2.3.1模型布置与数据采集

2.3.2流速测定结果

2.3.3起动流速与近似平衡冲刷时间

2.3.4试验内容与工况设计

2.4单向流下冲刷结果

2.4.1单墩冲刷试验分析

2.4.2不同流速试验分析

2.4.3不同水深试验分析

2.5往返流下冲刷结果

2.6本章小结

第 3 章 数值计算方法与模型验证

3.1.2湍流模型

3.1.3泥沙冲刷模型

3.2数值模型建立与网格选取

3.2.2模型建立

3.2.3数值边界条件

3.2.4网格划分方法

3.3数值模型验证

3.3.1流场验证

3.3.2压力验证

3.3.3冲刷深度验证

3.4本章小结

第 4 章 桥墩局部冲刷特性数值模拟研究

4.2水流条件影响

4.3泥沙参数影响

4.3.1不同泥沙密度研究

4.3.2不同泥沙粒径研究

4.4截面尺寸影响

4.5本章小结

第 5 章 圆柱桥墩防冲刷措施研究

5.2单向流下防冲刷护圈试验结果

5.2.1护圈防护试验效果分析

5.2.2护圈安装高度影响

5.2.3护圈防护外径影响

5.2.4护圈防护范围影响

5.3往返流下护圈试验结果

5.4护圈防护效率公式

5.5护圈防护机理数值研究

5.5.2护圈参数防护影响机制研究

5.6本章小结

结论与展望

本文的主要结论

研究展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文、专利及科研成果