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(guò)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(dòng)及河床變形的控制。
　　本文根據(jù)水流、泥沙運(yùn)動(dòng)基本理論，考慮橋渡壓縮對(duì)水流流態(tài)的影響、懸移質(zhì)泥沙運(yùn)動(dòng)機(jī)理，利用水流、泥沙運(yùn)動(dòng)方程和河床變形方程，通過(guò)數(shù)值計(jì)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(dòng)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(duì)水流紊動(dòng)擴(kuò)散的抑制作用出發(fā)，采用了基于制紊假說(shuō)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(shí)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(shí)變化及泥沙組成的不均勻性。給出分組水流挾沙能力及級(jí)配、懸移質(zhì)及床沙級(jí)配計(jì)算方法。采用有限差分法對(duì)模型進(jìn)行數(shù)值離散并編制計(jì)算程序，通過(guò)枝城長(zhǎng)江大橋壓縮沖刷計(jì)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(guò)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(dòng)猝發(fā)機(jī)理的水沙運(yùn)動(dòng)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(wú)量綱紊動(dòng)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(guò)模型率定確定枝城大橋河段對(duì)應(yīng)的無(wú)量綱紊動(dòng)猝發(fā)尺度比具體形式。仍用枝城長(zhǎng)江大橋的壓縮沖刷實(shí)例進(jìn)行了驗(yàn)證計(jì)算，模擬值與實(shí)測(cè)值接近。
　　(3)研究了來(lái)水來(lái)沙特征量變化對(duì)橋渡壓縮沖刷的

4、影響。通過(guò)對(duì)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(jí)配，用模型一模擬了各變量對(duì)壓縮沖刷的單因素影響以及水沙條件同時(shí)變化對(duì)壓縮沖刷的影響。
　　(4)建立了考慮流量過(guò)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(jì)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(zhǎng)江大橋在不同時(shí)間尺度流

5、量過(guò)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(zhǎng)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(duì)枝城長(zhǎng)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(jì)算，得到了天然河流典型斷面沖