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潮流条件下单桩冲刷形态的实验研究

王佳飞  
【摘要】:直立式圆柱在水工建筑物中十分普遍,如架设桥梁的桥墩、海边建筑的海中桩柱以及海上石油平台所广泛采用的直立支撑腿等。该类水中结构物的一个突出工程问题是桩柱局部底床的冲刷,冲刷导致局部底床变形,进一步削弱了基础结构的稳定性,严重者可导致工程结构的整体性破坏,危害极大。桩柱建造前后局部水动力条件的改变起着非常重要的作用,桩柱建造后,局部水动力条件发生改变,床沙起动、输移量与同时水体中泥沙的落淤量不再平衡,桩柱局部底床发生冲刷。除却河底床面自身的物理性质等因素,如河沙粒径、粘性,冲刷结果极大程度上受流场条件影响。国内外学者对于单向定常流冲刷的研究历时已久,并总结了不少结论和经验公式;波浪冲刷的研究同样开展多时。唯独潮流冲刷仍存在不少疑问,并未被挖掘细致。本文基于这点,设计潮流条件下直立圆柱周围的冲刷实验,探究潮流冲刷和定常流冲刷的异同点。 近年来,水下地形的测量技术取得了长足的进步。测量手段分为两类:接触式测量和非接触式测量。接触式的方法大多用于早期的研究工作,从钢尺到测针,这类方法精度低,容易破坏地形,且不能在实验过程中进行测量。非接触方法,出现于近年,其代表技术有,声纳探测和激光测距,相比于接触式方法,非接触式方法有着诸多优势:较高的精度,不会破坏地形,在水体清澈、无大波动的条件下,可以实现室内实时测量。本文所采用的正是激光测距系统测量水下地形,以获取冲刷过程中的床面形态资料。 实验分为定常流和潮流两部分进行,以流速和水深作为主究参数,潮流和定常流实验工况的流速以及水深相对应。实验结果给出各工况的冲刷坑地形图,分析定常流工况和对应潮流工况中冲刷坑形态、最大深度、冲刷区域范围以及平衡时间的异同点。最终对“潮流冲刷是否适用定常流冲刷的理论基础和经验公式”这一问题,做出分析解答。结果表明:与潮流最大流速相同的定常来流实验结果相比,潮流作用下冲刷坑平面形态与定常来流显著不同,但二者的最大冲刷深度和冲刷平衡时间却基本相仿。


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