跌坎冲刷的一维数值计算的研究

发布时间：2017-04-03 14:12

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【摘要】：我国很多桥梁附近的河段存在过度采砂现象,直接或间接导致桥梁垮塌的事故屡见不鲜,严重影响桥梁的安全和正常运营。因此,将采砂坑上游边坡概化为跌坎,研究跌坎的溯源冲刷的发展变化过程,及采砂坑对桥梁的安全所带来的影响,对大桥防护和河道治理非常有必要。 本文首先建立了跌坎冲刷的一维数值模型,并进行了验证。模型采用Godunov格式的有限体积法来离散浅水方程,采用后差分格式的有限差分法来离散河床变形方程；通过对静水、跌水和跌坎冲刷三个算例的计算,验证了该模型具有较好的和谐性、适用性及计算精度。 研究跌坎冲刷的影响因素,并分析各因素对跌坎冲刷的变化过程的影响。研究发现,跌坎冲刷的过程与流量和跌水高差密切相关,与跌坎坡度关系不大；冲刷深度在初期迅速增长,后期增长缓慢,输沙率也在冲刷初期达到最大值,随后减小并趋于稳定；溯源长度的增长主要发生在冲刷初期,且与流量、跌坎高差呈正相关。 在天然尺度下研究跌坎冲刷平衡特征值的变化,主要考虑流量、相对跌水高差和相对砂坑深度三个因素。研究发现,溯源长度随着流量、相对跌水高差和相对砂坑深度的增加而变大；相对最大冲深与流量关系不大,与相对跌水高差成正比,而与相对砂坑深度成反比；平衡比降随流量的增大而减小,随相对跌水高差和相对砂坑深度的增大而增大。因此,桥梁下游禁止采砂的控制范围不仅要考虑桥梁的大小,也要考虑河流流量大小,同时要对采砂坑的尺寸和位置进行控制。 在跌坎冲刷一维数值模型中加入动边界处理模块,模拟干河床行洪和跌坎冲刷过程,研究洪水特性对季节性河流上采砂坑冲刷的影响。研究结果表明,距离变坡点越远,冲刷深度和输沙率越小,开始冲刷和达到最大输沙率的时刻越晚,且冲刷主要发生在涨水段：洪峰流量越大,最大冲刷深度和输沙率越大,溯源冲刷的长度越长；随着峰型系数的增大,冲刷发展的速度加快,但最终冲刷深度减小,最大输沙率增加,而溯源长度减小。
【关键词】：采砂坑 跌坎 冲刷 数值模拟 溯源长度 洪水过程
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TV147
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-7
• ABSTRACT7-12
• 1 绪论12-22
• 1.1 选题背景和意义12-18
• 1.1.1 无序采砂工程问题12-13
• 1.1.2 桥梁采砂灾害及隐患13-17
• 1.1.3 研究意义17-18
• 1.2 国内外研究现状18-21
• 1.2.1 物理模型试验18
• 1.2.2 数值模型计算18-19
• 1.2.3 理论分析计算19
• 1.2.4 工程应用19-21
• 1.3 研究思路及主要内容21-22
• 2 跌坎冲刷的计算原理及数值模型22-36
• 2.1 引言22
• 2.2 跌坎冲刷基本原理22-23
• 2.3 离散方法及控制方程23-25
• 2.3.1 离散方法23-24
• 2.3.2 控制方程24-25
• 2.4 基于Godunov格式的有限体积法的浅水方程离散25-31
• 2.4.1 控制体的离散25-26
• 2.4.2 Godunov格式的有限体积法26-27
• 2.4.3 通量计算——求解Riemann问题27-29
• 2.4.4 波速计算29
• 2.4.5 时空二阶精度29-30
• 2.4.6 源项的处理30-31
• 2.4.7 稳定性控制31
• 2.5 边界条件及初始条件31-32
• 2.6 程序结构及计算步骤32-35
• 2.6.1 程序结构32-34
• 2.6.2 计算步骤34
• 2.6.3 输入及输出文件34-35
• 2.7 本章小结35-36
• 3 一维跌坎冲刷数值模型验证36-50
• 3.1 引言36
• 3.2 数值模型的验证36-40
• 3.2.1 格式的和谐性36-37
• 3.2.2 模型的适用性37-39
• 3.2.3 模型的计算精度39-40
• 3.3 计算结果与试验数据的对比与分析40-49
• 3.3.1 水槽试验及计算条件40-41
• 3.3.2 冲刷过程与现象41-46
• 3.3.3 计算结果分析46-49
• 3.4 本章小结49-50
• 4 跌坎冲刷的影响因素研究50-66
• 4.1 引言50
• 4.2 跌坎冲刷至平衡状态的变化过程研究50-56
• 4.2.1 冲刷深度变化51-52
• 4.2.2 输沙率变化52-54
• 4.2.3 冲刷速率与局部输沙率54-55
• 4.2.4 溯源长度发展过程55-56
• 4.3 实际尺度下跌坎的溯源冲刷计算56-60
• 4.3.1 计算条件57-58
• 4.3.2 计算结果58-60
• 4.4 跌坎冲刷平衡值的影响因素分析60-62
• 4.4.1 平衡比降60-61
• 4.4.2 相对最大冲深61-62
• 4.4.3 溯源长度62
• 4.5 跌坎上游河床的冲刷深度62-63
• 4.6 本章小结63-66
• 5 季节性河流上的洪水演进及跌坎冲刷研究66-88
• 5.1 引言66
• 5.2 洪水在干河床上的演进过程66-71
• 5.2.1 动边界的处理方法66-67
• 5.2.2 洪水演进过程67-70
• 5.2.3 洪水传播速度70-71
• 5.3 季节性河流上跌坎的洪水冲刷计算71-78
• 5.3.1 跌坎上行洪的冲刷过程71-73
• 5.3.2 溯源长度的发展73-74
• 5.3.3 沿程冲刷段变化74-75
• 5.3.4 溯源冲刷段的冲刷深度变化75-76
• 5.3.5 溯源冲刷段的输沙率变化76-78
• 5.4 不同洪水条件的跌坎冲刷研究78-86
• 5.4.1 洪峰流量的影响78-82
• 5.4.2 洪水峰型系数的影响82-86
• 5.5 本章小结86-88
• 6 结论与展望88-90
• 6.1 主要结论88-89
• 6.2 研究展望89-90
• 参考文献90-96
• 作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果96-100
• 学位论文数据集10

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 张细兵;范北林;;溃坝洪水演进平面二维数学模型初步研究[J];长江科学院院报;2006年06期

2 张细兵;欧治华;崔占峰;孙先;;基于非结构网格的分蓄洪区水沙演进数学模型研究[J];长江科学院院报;2011年04期

3 陈来华;;大规模采砂对椒江河口段河床的影响及对策[J];海洋学研究;2007年02期

4 宋中海;;河道无序采砂的危害及保护生态环境对策分析[J];地下水;2012年01期

5 ;RUNOFF-ENERGY FACTORS FORMUSLE SEDIMENT-YIELD MODEL FOR SURFACE MINES[J];International Journal of Sediment Research;2000年02期

6 S.Ali Akbar Salehi NEYSHABOURI,Ali FARHADZADEH,Ata AMINI;EXPERIMENTAL AND FIELD STUDY ON MINING-PIT MIGRATION[J];International Journal of Sediment Research;2002年04期

7 梁光川;华兰;;山区季节性河流水毁露管段整治措施[J];管道技术与设备;2014年02期

8 莫海鹰;玉湖大桥抢修及加固[J];公路;2002年05期

9 毛野;初论采沙对河床的影响及控制[J];河海大学学报(自然科学版);2000年04期

10 潘沙;冯定华;丁国昊;李桦;;CFD差分格式及限制器计算对比分析[J];计算机仿真;2009年08期

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1 郭辉;桥渡压缩冲刷数值模拟研究[D];北京交通大学;2013年

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