单一贴壁四面体框架绕流场三维数值模拟

四面体透水框架群作为一种新型的防冲促淤措施已经在各种河流工程中得到推广应用,由于其特殊的几何形状,仅依靠常见的量测手段确定其绕流场结构存在较大困难,使得对该类方法防护机理的理解受到限制。在CFD通用程序Fluent平台上建立三维水动力数值模型,对单一贴壁四面体透水框架的清水流场进行模拟,并与超声测速仪(ADV)实测结果进行对比验证。研究表明该数值模型有效地补充了三维复杂流场的物理实验结果,有助于理解四面体框架的防护机理。改变水力参数,计算得到阻力系数C_D相对于雷诺数Re的变化曲线,当Re>105时,单一贴壁四面体框架的阻力系数C_D为一常数值,大小为1.557。     

桥墩冲刷坑的三维流场测量与数值模拟

采用Sontek公司声学多普勒测速仪(ADV)对有拦沙坝防护的模型桥墩附近流场进行了精细测量,对桥墩冲刷坑内三维流速分布进行了分析,给出了冲刷坑内三维紊动特征量的分布,分析研究了有拦沙防护坝时桥墩局部冲刷的三个新特点,提出了拦沙坝的适用条件。另外,还采用有限体积法(FCVM)对桥墩附近流场进行了三维水流数值模拟,与ADV实测数据进行了对比验证,结果比较吻合。利用测量与模拟成果分析了墩前三维流速分布规律及对桥墩局部冲刷的影响,对研究复杂边界桥墩流场结构与局部冲刷计算有参考价值。     

粘性土中桥墩基础局部冲刷计算方法对比分析

桥墩基础局部冲刷研究多针对砂性土,相对于砂性土,粘性土的冲刷速度要慢得多,目前的研究较少地涉及到粘性土。近年来粘性土冲刷特性研究逐渐受到国内外学者的重视,粘性土中桥墩基础局部冲刷深度的计算方法主要有中国《公路工程水文勘测设计规范》方法(简称"中国公路规范方法")和美国SRICOS-EFA方法。本文通过典型算例的对比,分析了两种方法的计算结果及其各自特点。相比之下,中国公路规范方法的计算公式较为简单,但该方法仅能计算出桥墩基础的最大冲刷深度,并且忽略了一些重要的影响因素。本文通过典型算例的对比分析,对中国公路规范方法提出了一些改进建议。     

桥墩影响下冰塞水位变化规律的试验

采用聚乙烯颗粒为天然冰模拟材料,对桥墩影响下的冰塞水位变化规律进行了探索性试验研究.试验发现,有桥墩时,冰塞演变可分为冰塞越过桥墩和未越过桥墩两种情况;冰塞动态演变过程中,桥墩附近冰塞底部存在冲刷现象,由此产生的冲刷输冰流量会引发较为复杂的冰塞水位演变过程.研究表明,有桥墩条件下,水力及来冰量条件对平衡冰塞时的水位增值影响规律与无桥墩时基本一致;水流条件和来冰流量相同条件下,当冰塞能越过桥墩达到平衡时,墩径较大时水位增值也较大,在断面阻塞程度相同条件下,双墩水位增值大于单墩.     

品字形桩林防护结构对泥石流冲击桥墩作用的影响

减缓和消除泥石流对桥墩的冲击作用对大桥安全至关重要。以品字形桩林作为防护结构,结合泥石流运动特征参数和桥墩宽度等因素,提出了一种桩林结构尺寸的设计原则。先通过模拟泥石流中大块石对不同型式桩林结构的冲击作用获得了桩林结构的最佳布置方式,然后采用SPH(光滑粒子流体动力学)-FEM(有限元)结合的方法分析了含大块石泥石流对设置品字形桩林结构情况下桥墩的冲击作用。结果表明：大块石与泥石流浆体共同撞击桥墩的冲击力为3 843 kN,远大于无防护时纯泥石流浆体对桥墩冲击力1 840 kN和有防护时的1 452 kN;桩间距3.0 m、桩排距1.0 m是品字形桩林结构最为合理稳固的布置方式;设置防护结构时桥墩所受泥石流浆体的冲击力峰值、墩底应力峰值和数值模拟t=8.0 s时墩底位移峰值相比于无防护状态下分别减小了约21.1%、79.0%和29.4%。采用品字形桩林防护结构对于桥墩受泥石流冲击破坏有相当显著的防护作用。     

重大水利工程对长江中下游干流河槽和岸线地质环境影响研究

本文主要采取历史水下地形和水位数据分析、干流河槽现场测量、室内测试和综合评价等方法对重大水利工程影响长江中下游干流河槽和岸线进行了分析和研究,取得如下新进展：（1）创新构建了一套多模态传感器系统,实现陆上和水下一体化水动力、沉积和地貌特征测量与数据采集。（2）调查研究发现,长江干流河槽冲刷强烈,岸线窝崩、条崩发育。（3）悬沙和床沙粗化,河床阻力下降,发育侵蚀型链珠状沙波,长江大桥主桥墩冲刷严重。（4）潮区界显著上移,潮区界变动河段地貌发生重要变化。在此基础上,研究认为应该加强长江中下游干流河槽、沿岸高陡岸坡、支流入汇干流河口、崩岸以及跨江大桥桥墩冲刷等调查、监测和成因机理分析。上述研究成果对长江岸滩防护和修复、航道整治、沿岸防洪、长江大桥桥墩维护等具有重要意义。     

冲刷对桥墩稳定性影响的有限元分析

在对湘黔线资水大桥的评估中,提出了桥墩在受各种不同冲刷程度的影响下,通过改变基底的支承方式模拟基础底部被掏空的途径,应用有限元方法进行基底压应力和墩顶位移计算分析的方法。该方法揭示了基底最大压应力等于基底容许压应力时的极限掏空面积和考虑墩顶最大横向、纵向、竖向位移的因素而引起基础的各种变形与应力发生剧烈的变化,导致基础失效的基底掏空面积,为受冲刷桥墩的稳定性分析提供了有力的依据。     

冲刷桥墩基础的HHT振动频谱特性分析与判读研究

尝试以移动车流为振动源,在明显受冲刷与未受冲刷桥墩系统上方一侧布设讯号传感器,接收桥梁下部结构因振动源所产生的振动讯号。再以经验模态分解法EMD与希尔伯特黄转换HHT作为讯号分解与振动频谱解析的方法,针对桥墩系统（桥梁下部结构）的Y方向振动讯号进行解析与判读。于EMD分析过程中导入间断性准则进行振动讯号分解。针对完整（未裸露）桥墩系统（P1）,与跨河冲刷桥段桥墩系统（P2）的Y方向,进行频谱解析与比对探讨。由研究结果可知,EMD讯号分解过程可能产生模态混合现象,导致HHT图形中产生频率损失以及可判读区间缩短的现象。借由间断性准则的应用,可有效解决这些问题,获得判读性较高的HHT频谱图与边际频谱图。此外,HHT频谱图所得结果证实,桥墩系统Y方向的瞬时频率变化为一频宽带,其区间范围约在1～4 Hz之间。而由边际频谱图中可知,P1、P2的频率能量分别集中于2.5 Hz与1.7 Hz,可知P2的整体系统刚度小于P1。据此,明显受冲刷桥墩系统P2,其承载能力弱化的现象得以由HHT方法中明显呈现。     

土工格室对黄土路堤边坡抗冲刷的试验研究

在黄土地区,植被恢复很慢,由于黄土本身的特性以及突发性的暴雨,对路堤边坡的冲蚀作用十分明显,甚至造成路基的坍塌。用格室防护黄土路堤边坡的冲刷试验研究,目前尚未见报道。通过一系列对比试验并详尽分析,发现土工格室对黄土路堤边坡冲刷防护的效果明显。在此基础上,对土工格室的冲刷防护机理进行了初步探讨。     

降雨冲刷对黄土公路边坡植物防护影响的试验研究

通过对裸露黄土公路边坡、厚层基材植草公路边坡、三维网植草公路边坡以及平台植树公路边坡的现场降雨冲刷试验,阐述了不同防护型式的公路黄土边坡在降雨条件下的坡面径流、含泥量以及坡面冲刷情况,得出了降雨对边坡坡面的侵蚀过程,首先是从雨滴直接打击土体开始,进而引起溅蚀,分散土粒,紧接着发生超渗径流造成坡面冲刷。以及对坡面破坏最大的是坡顶上方来水等重要结论。验证了坡面植物防护以及平台植树等防护方法可以有效降低降雨冲刷对坡面的侵蚀破坏,为黄土地区公路边坡植物防护的设计施工以提供了可靠的依据。     

护底条件下淹没丁坝坝头局部冲刷试验

淹没丁坝是一种典型的航道工程整治建筑物,工程实施中坝头附近局部冲刷防护问题尤为重要。为研究护底条件下的淹没丁坝坝头局部冲刷特性问题,采用正态模型试验方法,重点研究了护底条件下淹没丁坝坝头局部冲刷坑形态、最大深度与护底宽度的变化响应规律,结果表明,护底条件下坝头局部冲刷坑位于护底边缘附近,当护底宽度小于20 m左右时,最大冲刷深度变化较小,但冲刷坑位置有所远离坝体,最大冲刷深度随着护底宽度的变化规律可用指数关系表达。基于量纲分析原理,建立了粉细沙河床护底条件下淹没丁坝局部冲刷最大深度计算公式。     

Prediction of local scour around complex piers using GEP and M5-Tree

Local scour around piers is one of the main causes of bridge failures. In this study, three robust techniques, artificial neural networks (ANNs), M5-Tree, and Gene Expression Programming (GEP), were employed for prediction of scour depth around complex piers. The clear water condition was chosen for all experimental tests. The results indicated that pier diameter (b _c) and foundation level (Y) are the main parameters for local scour. Furthermore, the minimum scour depth occurs in range of Y/b _c = 1.1~1.3. In next step, to evaluate the mentioned techniques, a wide range of dataset was collected from the present study and literature. The radial base function (RBF) with R ² = 0.945 and RMSE = 0.031 provides better prediction in comparison with conventional equations, M5-Tree (R ² = 0.883, RMSE = 0.292) and the GEP techniques (R ² = 0.811 and RMSE = 0.263). The equations developed by M5-Tree and GEP are more useful for practical purposes and can be easily employed to predict the depth of scour at complex piers.     

Artificial neural network study of observed pattern of scour depth around bridge piers

An artificial neural networks (ANN) model is developed to study the observed pattern of local scour at bridge piers using an FHWA (Federal Highway Administration) data set composed of 380 measurements at 56 bridges in 13 states. Various ANN estimates of observed pier scour depth on different choices of input variables are examined. Reducing the number of variables from 14 to 9 has negligible effect on the coefficient of determination, R², (0.73 vs. 0.72). Further sensitivity analysis indicates that pier scour depth can be estimated using only four variables: pier shape and skew, flow depth and velocity with a coefficient of determination of 0.81, suggesting that inclusion of some variables actually diminishes the quality of ANN predictions of short term observed pattern of scour. The ANN estimates indicate that flow depth and flow velocity make up 66% of the coefficient of determination.     

The effect of combined countermeasures on main local scouring parameters using physical models

Details of an experimental study for 22 clear-water scour tests around bridge piers are presented in three combinations of flow-altering countermeasures against bed erosion. The combined countermeasures are as follows: (1) berm and geometry; (2) berm, geometry, and centered slot; and (3) berm, geometry, and off-centered slots. First, four different cross-sections were selected for the model piers (A series). The results of this group have shown that the lenticular model can decrease the scour depth remarkably. The efficient height of a berm was then determined through B series of tests for circular cylindrical model pier. Then, it was found that the first combination (C series) could not decrease the bed erosion significantly. Also, the second combination (D series) mainly decreased the scour depth only in the circular and round-nosed rectangular geometries. Finally, the third combination (E series) used for the first time with considering its structural aspects can be considered as the most effective countermeasure only for the common geometries of the model piers. The results showed that the combination of different countermeasures would not be an efficient tool for all geometries of model piers.     

波浪作用下斜坡沙质海床上桩柱周围局部冲刷试验研究

在斜坡上桩柱引起的局部冲刷与平底条件下产生的冲刷存在差异。布置中值粒径为0.320 mm、坡度为1:16的斜坡沙床,开展规则波作用下桩柱周围的局部冲刷试验研究。试验主要考虑小Keulegan-Carpenter数（KC数）条件,探讨了波高、波周期和桩柱位置对局部冲刷的影响,并从最大冲刷深度和冲刷形态两个方面对比分析了斜坡与平底条件局部冲刷的异同。结果表明:斜坡上桩柱位置对局部冲刷有较大影响;在相同的KC数条件下,斜坡沙床上的最大冲深大于平底沙床;斜坡沙床的清水冲刷形态与平底沙床差异较大,而浑水冲刷形态相似。     

Numerical modelling of the effects of foundation scour on the response of a bridge pier

Foundation scour can have a detrimental effect on the performance of bridge piers, inducing a significant reduction of the lateral capacity of the footing and accumulation of permanent settlement and rotation. Although the hydraulic processes responsible for foundation scour are nowadays well known, predicting their mechanical consequences is still challenging. Indeed, its impact on the failure mechanisms developing around the foundation has not been fully investigated. In this paper, numerical simulations are performed to study the vertical and lateral response of a scoured bridge pier founded on a cylindrical caisson foundation embedded in a layer of dense sand. The sand stress–strain behaviour is reproduced by employing the Severn-Trent model. The constitutive model is firstly calibrated on a set of soil element tests, including drained and undrained monotonic triaxial tests and resonant column tests. The calibration procedure is implemented considering the stress and strain nonuniformities within the samples, by simulating the laboratory tests as boundary value problems. The numerical model is then validated against the results of centrifuge tests. The results of the simulations are in good agreement with the experimental results in terms of foundation capacity and settlement accumulation. Moreover, the model can predict the effects of local and general scour. The numerical analyses also highlight the impact of scouring on the failure mechanisms, revealing that the soil resistance depends on the hydraulic scenario.

     

波流共同作用下反斜桩局部冲刷特性试验研究

在波流环境中,反斜桩周围的涡流结构及波浪传播特性与垂直桩存在较大差异,进而影响到桩基局部冲刷进程。为了解波流共同作用下反斜桩局部冲刷特性,在波流水槽中针对不同倾角的反斜桩开展了局部冲刷试验,初步探究了局部冲深历时特性、影响因素及床面形态特征。研究结果表明:在清水冲刷条件下,反斜桩局部冲刷深度始终小于垂直桩; 当桩身倾角增加时,平衡冲刷深度逐渐减小,相对时间尺度逐渐增大; 冲刷坑宽度相对垂直桩更小,呈现“水滴状”形态,尾后沙丘呈现出更长的单峰“带状”结构,不规则性较为突出; 局部冲深与弗劳德数之间存在着较高的相关性,但向上游倾角产生的波浪变形效应使得冲刷深度与流速比和Keulegan-Carpenter数的具体函数关系更难以确定。     

黄河“揭河底”冲刷期河道形态调整规律

为准确预测和有效应对“揭河底”冲刷险情,通过大量挖掘相关水文站1950年以来的原始测验资料,结合概化模型试验,对“揭河底”冲刷期河道断面形态调整过程及洪水位变化情况进行了深入研究。结果表明,“揭河底”冲刷期河道形态调整具有明显的规律性。从过程看,一般可分为4个阶段,即“揭河底”前的一般冲刷阶段、河底高程基本不变阶段、胶泥块揭起河床快速下降阶段和“揭河底”后期持续冲刷阶段及回淤阶段。“揭河底”洪水与非“揭河底”洪水在水位表现上差别较大,非“揭河底”洪水水位流量关系曲线较为平缓,洪水前后水位变化过程呈明显的逆时针绳套;“揭河底”洪水水位流量关系曲线较为陡峭,水位变化过程呈明显的顺时针绳套,“揭河底”发生的瞬时,水位有一个明显的升高和快速下降过程。从流态看,水面紊动剧烈的地方位于发生“揭河底”位置的下游,这也是本次研究的一个重大发现。     

复合筒型风电基础单向流局部冲刷试验研究

复合筒型基础是一种新型的宽浅式海上风电基础,相对于桩基础等深基础,复合筒型基础周围地基的冲刷破坏对风机结构体系安全性的影响更加明显,因此,研究海流作用下复合筒型基础的冲刷特性很有必要。针对某工程实例,建设了冲刷试验场地,布置了典型测点,为复合筒型基础冲刷试验奠定了基础;采用系列比尺模型的方法,分别选取1:20、1:40、1:70三种比尺的模型,对海上风电复合筒型基础样机周围粉砂质海床的冲刷情况进行了试验研究;分析了各组试验冲刷平衡时间、模型周围冲刷坑的范围、最大冲刷深度,并且依据系列比尺模型试验原理计算出了实际工程中的冲刷深度。通过试验研究给出了实际工程复合筒型基础的最大冲刷深度,明确了单向流作用下复合筒型基础周围地基局部冲刷特性,填补了复合筒型基础冲刷试验研究的空白,为复合筒型基础的工程应用提供了指导。