水毁路基边坡保护工程设计及二维数值模拟

摘要

河龙高速公路是我国东营至香港的国家重点公路建设项目的重要组成部分，也是广东省“十五”期间规划建设的重点工程项目之一。该公路位于河源清溪河段，在2005年6月的东江流域特大洪水中受到严重的毁坏，沿岸边坡发生坍塌。本论文结合工程路段的实际情况，采用航道整治工程对坍塌的边坡进行保护。 河源清溪河段属典型的弯曲河道，弯曲河道的水流因受离心力的作用，整个水体向凹岸壅高，凸岸水面变低，从而产生了面流指向凹岸、底流指向凸岸的螺旋状水流。由于河道表层水流较清，含沙量较小，底层水流较浑，含沙量较大，表层的清水冲向凹岸，使凹岸遭到冲刷，冲刷产生的泥沙以及上游挟带下来的大粒径沙卵石，由底流推移至凸岸产生淤积，并在凸岸形成边滩。因此，在弯道环流的作用下，土质松软的工程河段凹岸不断受到冲刷，并不断地坍塌后退，特别是在2005年东江流域特大洪水的作用下，刚刚竣工的高速公路以及河边的乡道路基的基础被洪水淘空，因此导致了边坡失稳、路面下陷等严重问题。 本论文借鉴国内外众多专家对公路水毁问题的研究成果，在认真勘察工程现场和了解所在河段的地质、水文、泥沙特性的基础上，详细分析了公路水毁的原因和机理，提出了采用短丁坝和护岸相结合的航道整治工程措施来保护公路水毁边坡的设计方案，并采用数值模拟方法，对设计方案的工程效果进行了验证和比选。本论文提出了两种整治线走向的四种工程设计方案，即根据整治线的离岸距离分为较长丁坝的两种方案和较短丁坝的两种方案。同时还进行了桩式护岸的设计，并在技术性和经济性两方面与筑坝方案进行了比选。 数值模拟采用沿水深积分的平面二维模型，水流为非恒定不可压缩流体，因此，采用Navier-Stokes方程来描述水流运动，利用有限单元法对方程进行离散求解，未知函数的时间导数采用差分格式来进行离散，进行空间离散时主要考虑风产生的切应力、河床底部的摩阻应力以及地球自转引起的柯氏力的影响，并采用二次插值函数对方程组进行离散。通过与原型进行整治水位下水面线和流态的验证，表明模型计算精度基本达到要求。数模计算分别对各种整治方案在设计流量、整治流量、五年一遇洪水流量三种情况下，进行了整治工程前后的水位、流速以及流态变化的分析和比较，计算结果表明长丁坝护岸更有利于使主流动力轴线偏离凹岸，从而起到保护河道凹岸的作用。

目录

文摘

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第一章 绪论

1.1研究背景

1.1.1工程背景

1.1.2国内外研究现状

1.2论文的主要工作内容

1.3研究机理和设计方案的提出

1.4论文的创新点

第二章 自然条件

2.1工程河段概况

2.1.1工程河段地理位置

2.1.2流域概况

2.2水文泥沙

2.2.1水文基本资料

2.2.2径流

2.2.3洪、枯水特征

2.3工程地质

2.3.1地形地貌

2.3.2地层岩性

2.4气象

第三章 水毁路基边坡情况分析

3.1水毁情况

3.2河段水、沙运动情况

3.3水毁原因分析

第四章 工程设计

4.1设计原则

4.2设计参数

4.2.1设计标准

4.2.2设计最低通航水位的确定

4.2.3整治水位的选取

4.3设计方案比选

4.3.1“短丁坝护岸”与桩式护岸的比选

4.3.2四个“短丁坝护岸”方案的比选

4.4工程平面布置

4.4.1整治线走向

4.4.2平面布置

4.5工程结构设计

4.5.1护岸短丁坝

4.5.2护岸

4.5.3排水沟

4.5.4航标工程

4.6工程量

第五章 数学模型的基本理论和方法

5.1基本控制方程

5.2基本方程的离散

5.2.1时间离散

5.2.2空间离散

5.3离散方程的求解

5.3.1边界条件

5.3.2初始条件

5.4数学模型验证

5.4.1计算网格的生成

5.4.2水面线的验证

5.4.3流速分布验证

5.5工程前水流条件分析

第六章 长丁坝护岸方案计算分析

6.1长丁坝护岸方案基本情况

6.1.1长丁坝护岸基本方案

6.1.2长丁坝护岸修改方案

6.2长丁坝护岸方案计算分析

6.2.1整治前后流速变化情况分析

6.2.2整治前后水位变化情况分析

第七章 短丁坝护岸方案计算分析

7.1短丁坝护岸方案基本情况

7.1.1短丁坝护岸基本方案

7.1.2短丁坝护岸修改方案

7.2短丁坝护岸方案计算分析

7.2.1整治前后流速变化情况分析

7.2.2整治前后水位变化情况分析

7.2.3整治前后流态变化分析

7.2.4基本方案和修改方案的比较分析

第八章 数模论证结果

8.1长、短丁坝护岸方案效果分析比较

8.2数模论证结果

第九章 施工组织计划

9.1建材供应

9.2工期

9.3施工顺序与施工方法、要求

9.3.1施工顺序

9.3.2施工方法

9.3.3施工要求

9.4施工通航

9.5施工准备

结论

参考文献

附录

攻读工程硕士学位期间发表的与学位论文内容相关的学术论文

致谢