减冲桩防护墩柱局部冲刷的数值模拟研究

摘要

墩柱结构是广泛应用于桥梁，码头，以及海上平台等水工建筑的基础结构之一，水流冲刷墩柱附近的泥沙时，减小了墩柱的入土深度，会造成墩柱桩基失去稳定，对结构安全造成严重威胁。在工程上对这一问题必须采取相应的措施，研究墩柱局部冲刷防护措施具有重要的价值。在墩柱前方使用减冲桩防护进行冲刷防护可以有效的降低最大冲刷深度。
　　本文在研究墩柱局部冲刷机理的基础上，使用数值模型研究了前排减冲桩在墩柱局部冲刷防护中防护效果。首先，研究了纯水流情况下墩柱周围流场，从流场结构上分析冲刷坑的形成过程，设置前排减冲桩之后，对比采用减冲桩防护墩柱周围的流场和局部冲刷形态，发现前排减冲桩的确可以降低墩柱前下降水流流速、水平流速、紊动强度、降低墩柱周围的近底面流速、消除或削减马蹄形漩涡。分析了减冲桩不同的直径、不同布置位置、不同淹没程度的防护效果，发现大直径的非淹没减冲桩布置在墩柱前方1-1.5倍墩柱直径的距离可以取得较好的防护效果，最后，为了解决减冲桩防护面临来流角度变化时防护效果不佳的情况，探讨了多根减冲桩布置在冲刷防护中的应用，通过对比不同布置形式情况下的局部冲刷形态，发现采用多排交错式的布置方式可以在来流角度变化时仍有较好的防护效果。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及问题的提出

1．2 研究现状

1．2．1 墩柱冲刷机理

1．2．2 冲刷防护研究

1．2．3 冲刷数值模拟研究

1．3 本论文研究的主要工作

第二章 数值模型的建立

2．1 数值模拟软件简介

2．2 控制方程

2．3 湍流模型

2．4 泥沙运输模型

2．4．1 悬移质计算

2．4．2 推移质计算

2．5 数值模型的边界与初始条件

2．6 水流冲刷模型的构建及验证

2．6．1 模型建立

2．6．2 模型流场验证

2．6．3 冲刷模块验证

2．7 本章小结

第三章 减冲桩防护效果研究

3．1 模型构建

3．2 工况布置

3．3 对比分析

3．4 直径比对减冲桩防护效果的影响

3．4．1 减冲桩直径比对墩柱周围流场的影响

3．4．2 减冲桩直径比对墩柱周围局部冲刷的影响

3．5 减冲桩与墩柱间距减冲桩防护效果的影响

3．5．1 减冲桩与墩柱间距对墩柱周围流场的影响

3．5．2 减冲桩与墩柱间距对墩柱周围局部冲刷的影响

3．6 减冲桩淹没程度减冲桩防护效果的影响

3．6．1 减冲桩淹没程度对墩柱周围流场的影响

3．6．2 减冲桩淹没程度对墩柱周围局部冲刷的影响

3．7 来流角度对流场以及冲刷形态的影响

3．7．1 来流角度对墩柱周围流场的影响

3．5．2 来流角度对墩柱周围局部冲刷的影响

3．8 本章小结

第四章 多根减冲桩防护效果研究

4．1 多桩布置模型

4．2 多桩布置的局部冲刷形态

4．3 来流角度对多桩布置的局部冲刷的影响

4．3．1 来流角度为10度的局部冲刷形态

4．3．2 来流角度为20度的局部冲刷形态

4．4 本章小结

第五章 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

致谢