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《中国地质大学(北京)》 2017年
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砂质河床桥墩局部冲刷深度预测及数值模拟研究

王飞  
【摘要】:桥墩局部冲刷深度的准确预测对跨河桥梁设计有重要的影响,是决定桥墩基础埋置深度的关键因素。随着桥梁建设的飞速发展,大跨度桥梁、大直径桥墩越来越多,以往根据室内试验或小直径桥墩的现场实测资料建立的单一经验性冲深预测公式已经无法准确地预测宽墩的局部冲刷深度。本文基于桥墩局部冲刷机理分析及能量平衡理论,建立了不同流场类别的桥墩局部冲刷深度预测方程;基于计算流体动力学(CFD),对桥墩墩周流场及冲刷的动态过程进行了数值模拟。论文研究工作为砂质河床桥梁基础设计提供了理论依据。论文的主要成果如下:(1)基于流体力学的理论分析,考虑水流-桥墩-床沙相互作用,对均匀圆柱形桥墩的冲刷机理进行了分析,揭示了水流-桥墩-泥沙三者相互作用机理;根据能量平衡理论及冲刷机理分析,建立了适用于砂质河床窄墩深流型、过渡型、宽墩浅流型流场的局部冲刷平衡深度的预测方程,选取代表性试验数据对方程的适用性进行了验证。通过与已有预测方程的对比分析,结果表明本文建立的方程能有效提高冲深预测的精度。(2)提出了泥沙非均匀性系数的求解方法,采用“有效墩宽”解决了水流冲击角不为零以及墩前存在漂浮物堆积时局部冲刷深度预测的难题。对于复杂桥墩,将“构件冲刷叠加法”引入本文提出的预测公式,并通过算例进行验证,实现了复杂桥墩与简单桥墩冲刷的统一计算。(3)通过桥墩墩周流场的三维数值模拟分析,研究了桥墩纵向截面变化对流场的影响,提出了桥墩抗冲刷能力较强的纵向截面形式。(4)基于计算流体动力学理论,编制了CFD软件二次开发程序,考虑泥沙临界剪应力随河床坡度的实时变化、湍流涡对泥沙输运的增强效应,以及泥沙坍塌的动态调整,实现了桥墩局部冲刷全过程的动态可视化模拟,模拟结果与试验结果吻合。
【学位授予单位】:中国地质大学(北京)
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:U442.32;U443.22

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