桥梁沉井基础局部冲刷试验及计算方法研究

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局部冲刷已成为影响桥梁基础施工和运营安全的重要因素之一。随着沉井基础越来越多地被用作大跨桥梁的基础,研究沉井基础在着床和悬浮下沉状态中的局部冲刷就显得尤为重要。本文分析了桥梁基础局部冲刷在不同影响因素、基础周围流场及泥沙运动等方面的冲刷机理,总结了桥梁基础局部冲刷计算公式在平衡冲刷深度和随时间发展冲刷深度的研究情况,并阐述了桥梁基础冲刷关于影响因素和冲刷特性的水槽试验研究,以及数值模拟方面的研究现状。通过对现有研究的梳理和归纳,针对沉井基础局部冲刷研究的研究现状和存在的不足,本文采用理论分析、水槽试验和CFD数值模拟等手段相结合的方法,对桥梁沉井基础周围局部冲刷展开了如下研究:(1)介绍、对比并分析了现有的桥梁基础局部冲刷深度计算公式,总结了各个公式的特点,对中美两国规范关于局部冲刷深度的计算公式的优缺点进行了归纳。分析了每个公式对不同影响因素(流速、水深、基础宽度和泥沙粒径)的敏感性,通过筛选后的试验数据和现场实测数据对各个公式的适用性进行了分析。采用量纲分析和多元回归分析方法,建立了新的桥梁基础局部冲刷深度计算公式,提出了实测数据修正系数K3,并进行了公式可靠性和准确性的验证。(2)设计并开展了一系列沉井基础局部冲刷水槽模型试验,选用了三种形状的沉井模型(圆形、方形和菱形)和两种来流类型(单向流和往返流),研究着床沉井和悬浮状态沉井在单向流或往返流的作用下的局部冲刷特性。提出了不同形状着床沉井对往返流冲刷的敏感度计算公式,可以反映不同形状着床沉井对往返流方向改变的敏感程度。并对悬浮状态沉井不同下沉间隙c对最小起冲流速Vi,min和最大冲刷深度的影响,以及悬浮状态沉井在单向流和往返流的作用下局部冲刷特性进行了研究。(3)采用CFD数值模拟软件Flow-3D,设计了充分发展的稳定流场段和动床冲刷段,可显著缩短数值模拟时间,提高计算效率。基于此,对着床沉井开展了一系列数值模拟研究,利用本文方形着床沉井基础局部冲刷试验和某大型沉井基础局部冲刷试验,验证了本文数值模型的可靠性。并基于本文试验条件,研究了墩形、长宽比、水流偏角的影响,确定了本文提出的新公式中的未知修正系数:墩形修正系数K1和水流偏角系数K2;基于某大型沉井基础局部冲刷试验条件,研究了沉井基础倒角半径对冲刷深度的影响,并提出了影响系数1′,能为国内外规范的完善提供参考。(4)基于本文悬浮状态沉井试验和CFD数值模拟方法,通过Flow-3D对悬浮状态沉井局部冲刷开展了数值模拟研究。研究发现:在悬浮状态沉井局部冲刷过程中,造成局部冲刷的原因是沉井下方与河床表面的间隙间流速加速导致的,马蹄形漩涡在悬浮状态沉井局部冲刷机理中几乎可以忽略不计;基于数值模拟结果,提出了悬浮状态沉井局部冲刷深度计算方法并进行了验证;建立了着床沉井随时间发展的局部冲刷深度计算方法和悬浮状态沉井随时间发展的局部冲刷深度计算方法,并利用多组试验数据进行了验证。最后考虑了不同的下沉时间下沉到同一位置对悬浮状态沉井局部冲刷的影响,提出了不同下沉时间与实时局部冲刷深度的计算公式,能为沉井下沉过程中局部冲刷深度的判断提供参考。
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