橋渡壓縮沖刷數(shù)值模擬研究.pdf

1、橋渡壓縮沖刷是橋梁建筑物壓縮過流斷面而在橋下河床全斷面內(nèi)產(chǎn)生的普遍沖刷，其發(fā)展規(guī)律受橋位河段水流、泥沙運(yùn)動及河床變形的控制。
　　本文根據(jù)水流、泥沙運(yùn)動基本理論，考慮橋渡壓縮對水流流態(tài)的影響、懸移質(zhì)泥沙運(yùn)動機(jī)理，利用水流、泥沙運(yùn)動方程和河床變形方程，通過數(shù)值計算，研究了橋渡壓縮沖刷隨水文條件的演變規(guī)律、懸沙的紊動猝發(fā)機(jī)理及應(yīng)用，并分析了水文隨機(jī)性特性的影響及斷面沖刷的橫向分布，主要取得了以下研究成果:
　　(1)從懸移質(zhì)中的

2、床沙質(zhì)對水流紊動擴(kuò)散的抑制作用出發(fā)，采用了基于制紊假說的水、沙方程（模型一），用數(shù)值方法模擬了橋渡壓縮沖刷。模擬時考慮了橋位壓縮河段回流邊界的概化處理、天然河道斷面幾何特征的因時變化及泥沙組成的不均勻性。給出分組水流挾沙能力及級配、懸移質(zhì)及床沙級配計算方法。采用有限差分法對模型進(jìn)行數(shù)值離散并編制計算程序，通過枝城長江大橋壓縮沖刷計算實(shí)例，驗(yàn)證了模型的合理性與準(zhǔn)確性。結(jié)果表明，模型可以合理反映橋址及其上下游斷面水位變化與河床沖淤變化，在實(shí)

3、際流量過程作用下，橋址河床壓縮沖刷具有汛期沖刷而汛后淤積的特點(diǎn)。
　　(2)采用基于懸沙紊動猝發(fā)機(jī)理的水沙運(yùn)動方程（模型二）模擬橋渡壓縮沖刷。根據(jù)天然河流床沙質(zhì)含沙量資料，采用最小二乘回歸方法得到無量綱紊動猝發(fā)尺度比與顆粒雷諾數(shù)滿足冪函數(shù)關(guān)系，又通過模型率定確定枝城大橋河段對應(yīng)的無量綱紊動猝發(fā)尺度比具體形式。仍用枝城長江大橋的壓縮沖刷實(shí)例進(jìn)行了驗(yàn)證計算，模擬值與實(shí)測值接近。
　　(3)研究了來水來沙特征量變化對橋渡壓縮沖刷的

4、影響。通過對橋位河段水文特征的分析，將水沙特征量概括為洪水頻率、流量峰型系數(shù)、含沙量及懸移質(zhì)粒徑級配，用模型一模擬了各變量對壓縮沖刷的單因素影響以及水沙條件同時變化對壓縮沖刷的影響。
　　(4)建立了考慮流量過程不確定性的橋渡壓縮沖刷隨機(jī)分析方法。首先提出一類基于FARMA模型的日流量隨機(jī)模擬方法，可以較好地反映日流量的統(tǒng)計特性?；跇蚨蓧嚎s沖刷數(shù)學(xué)模型（模型一），結(jié)合Monte Carlo方法，研究了枝城長江大橋在不同時間尺度流

5、量過程作用下的壓縮沖刷隨機(jī)性規(guī)律。
　　(5)用不同的數(shù)值模擬方法研究了壓縮沖刷的橫向分布。首先采用平面二維模型FESWMS FST2DH研究了矩形試驗(yàn)水槽長壓縮段的沖淤分布，結(jié)合回歸分析方法得到壓縮沖刷橫向分布與垂線平均縱向流速橫向分布的相關(guān)關(guān)系。其次，利用模型一，對枝城長江大橋壓縮沖刷橫向分布進(jìn)行數(shù)值模擬研究，給出兩類典型斷面（U型及V型斷面）的垂線平均流速橫向分布經(jīng)驗(yàn)公式，并將其用于沖淤橫向分布計算，得到了天然河流典型斷面沖