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四面六边透水框架群防护桥墩局部冲刷的数值模拟

宋晓伟  
【摘要】:冲积性河流中,桥梁的水害尤其是桥墩的局部冲刷几乎不可避免。局部冲刷这种桥墩附近局部河床床面的下切现象,通常是由桥墩周围水流的三维边界层分离所产生的高强度的水流紊动和旋涡体系所引起的,关系到桥梁基础的稳定。因此,桥梁设计工作者在进行桥梁基础设计时,必须考虑采取一些防护工程对桥墩周围的床面进行护底防护,以保证桥墩的安全与稳定。迄今为止,桥墩局部冲刷的防护工程一直是防止河槽中桥墩周围床面冲刷、桥墩失稳和桥梁水毁的重要措施之一。现有的桥墩局部冲刷防护工程措施都存在一些缺点和不足,在一定条件下,这些缺点和不足甚至会引发整个防护工程的溃败,进而影响桥墩的稳定和桥梁的安全运行。在护岸工程和堤防工程中表现突出的四面六边透水框架群防护方法被提出用作桥墩局部冲刷的防护,成为一项新型的桥墩局部冲刷防护措施。科学技术高速发展的今天,计算机技术的进步给计算流体力学的发展带来了契机,复杂紊流场通过计算流体力学软件进行模拟的成果已逐渐得到行业认可。运用计算流体力学对四面六边透水框架群的桥墩局部冲刷防护效果进行模拟研究将是不同于以往传统的冲刷防护研究的方向。本文在研究掌握桥梁水害形成原因的基本性质基础上,针对桥墩冲刷这一桥梁水害的最重要反映形式,深刻分析其产生机理,从水流结构上认识桥墩局部冲刷的形成过程;掌握数值模拟中与桥墩局部冲刷相关的控制方程和封闭方法,以及离散和边界控制办法等具体技术手段,然后对桥墩局部冲刷的四面六边透水框架群防护数值模拟从以下方向展开:(1)对单个桥墩冲刷防护的研究。结合文献中物理模型资料,在单墩周围布设四面六边透水框架群,建立三维数学概化模型,以非结构化网格划分方法,采用Fluent软件进行数值模拟,观察分析模拟出来的水流流场和水流结构情况。重点分析了四面六边透水框架对形成局部冲刷的水流结构以及水流速度的影响。(2)对群桩基础冲刷防护的研究。结合包西铁路大桥群桩基础的实体尺寸,在其周围布设四面六边透水框架群,同样建立三维数学模型进行数值模拟,以流速为切入口分析四面六边透水框架群对群桩基础的防护效果。然后结合研究者对透水框架的理论探讨和透水框架抛投防护在护岸护滩工程中的实际应用经验,给包西铁路大桥群桩基础的具体防护提出了合理防护建议。


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