非平稳流对防护结构物的冲刷作用研究
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摘要
在我国西部山区公路的建设中,公路多沿河傍山展线,公路水毁十分严重。由于受地理条件、地质、水文、气候等多种因素影响,公路水毁机理及防治技术也显得复杂。本文结合交通部西部交通建设科技项目《国道315病害治理与生态环境保护的研究》的子课题《国道315线芒崖-且末段水毁病害治理的研究》(编号:2001 318 365 91),通过多组方案试验,对其进行系列研究。
本文总结了前人对沿河路基结构物附近的水流结构、冲刷机理的研究成果,在此基础上对山区河流中泥沙起动规律、运动特性进行了试验分析,对复合坡泥沙起动流速进行了试验研究;同时对紊流脉动数据的测试和处理进行了专门研究,找出了流速脉动幅度与雷诺数、佛汝德数之间的关系,并对流速进行了谱分析。对沿河路基的水流冲刷类型、冲刷机理及冲刷深度的影响因素进行了分析;通过模型试验,对不同流量,不同水深,不同流速及不同冲刷角度的冲刷进行了模拟,并对不同防护材料及防护结构型式进行了试验研究。
文中针对复合底坡泥沙的起动特点,考虑坡度对起动流速的影响,得出复合底坡泥沙起动流速与平坡起动流速影响关系式;在对冲刷类型、冲刷机理分析的基础上,根据模型试验结果,采用量纲理论和回归分析方法,分析得出了分别适用于新疆干沟地区(宽级配泥沙颗粒)和戈壁滩地区(细颗粒泥沙颗粒)沿河路基最大冲刷深度的计算公式,并首次推出沿河路基的冲刷宽度计算公式;针对G315线的水毁防护要求,提出了砂枕防护、土工格栅防护、土工格笼防护、格宾结构防护四种新型防护方案,模型冲刷试验表明,土工格笼防护方案具有很好的抗冲性能,可用于G315线水毁防护工程;在无防护结构冲深及冲宽的计算公式基础上,修正得出适用于防护后冲刷深度及宽度的计算公式。
In western regions, highway is always located along rivers, and the roadbed is seriously scoured by water flow. Influenced by many kinds of factors of geology, hydrology, climate, water destroy mechanism and protection technology seem complicated. The problem is studied through many experiments and based on the S&T projects of traffic construction in China’s West,“Study on Disease Control and Ecological Environmental Protection in G315”-“Study on the Water Destroy Controlled from Mangya to Qiemo in G315”(No.2001 318 365 91) in this paper.
Based on brief and commentary on local flow field around roadbed along river, scour mechanism and simulation, sediment motion characteristics in mountain rivers are analyzed, and the study on incipient mechanism and incipient velocity of uniform sediment on reunite slope is discussed. At the same time, Pulsating characteristic of turbulence is studied and Pulsating range of velocity with the Fr and Re is derived. Local flow condition, scour types, scour mechanism and factors influencing the scour depth are analyzed. Experiment study about water scour is undertaken, and scour depth with different factors about water discharge, flow depth, velocity, sediment ,different Angle and Protective materials and pattern of protecting is studied.。
In the paper, a computing method of velocity for reunite slope is discussed, which considers the slope characteristics and draw the relation of incipient velocity on the reunite slope with the incipient velocity on slight slope. Through the method of theoretical analysis and experiment study, the formula of the maximum scour depth and scour width of prevention wall in concave bank is put forward. The method of dimensional theory and regression analysis is used to deprive the formula for calculating the maximum scour depth. In order to satisfy with erosion protection of G315 road construction, 4 new protective structures are studied in model test, such as sand-bag pillow, geo-grade cage filled in sand, box assembled with zinc-plating steel wire bundled plastic and filled in gravel. The formulation of the maximum scour depth and scour width for prevention structure is revised.
本文总结了前人对沿河路基结构物附近的水流结构、冲刷机理的研究成果,在此基础上对山区河流中泥沙起动规律、运动特性进行了试验分析,对复合坡泥沙起动流速进行了试验研究;同时对紊流脉动数据的测试和处理进行了专门研究,找出了流速脉动幅度与雷诺数、佛汝德数之间的关系,并对流速进行了谱分析。对沿河路基的水流冲刷类型、冲刷机理及冲刷深度的影响因素进行了分析;通过模型试验,对不同流量,不同水深,不同流速及不同冲刷角度的冲刷进行了模拟,并对不同防护材料及防护结构型式进行了试验研究。
文中针对复合底坡泥沙的起动特点,考虑坡度对起动流速的影响,得出复合底坡泥沙起动流速与平坡起动流速影响关系式;在对冲刷类型、冲刷机理分析的基础上,根据模型试验结果,采用量纲理论和回归分析方法,分析得出了分别适用于新疆干沟地区(宽级配泥沙颗粒)和戈壁滩地区(细颗粒泥沙颗粒)沿河路基最大冲刷深度的计算公式,并首次推出沿河路基的冲刷宽度计算公式;针对G315线的水毁防护要求,提出了砂枕防护、土工格栅防护、土工格笼防护、格宾结构防护四种新型防护方案,模型冲刷试验表明,土工格笼防护方案具有很好的抗冲性能,可用于G315线水毁防护工程;在无防护结构冲深及冲宽的计算公式基础上,修正得出适用于防护后冲刷深度及宽度的计算公式。
In western regions, highway is always located along rivers, and the roadbed is seriously scoured by water flow. Influenced by many kinds of factors of geology, hydrology, climate, water destroy mechanism and protection technology seem complicated. The problem is studied through many experiments and based on the S&T projects of traffic construction in China’s West,“Study on Disease Control and Ecological Environmental Protection in G315”-“Study on the Water Destroy Controlled from Mangya to Qiemo in G315”(No.2001 318 365 91) in this paper.
Based on brief and commentary on local flow field around roadbed along river, scour mechanism and simulation, sediment motion characteristics in mountain rivers are analyzed, and the study on incipient mechanism and incipient velocity of uniform sediment on reunite slope is discussed. At the same time, Pulsating characteristic of turbulence is studied and Pulsating range of velocity with the Fr and Re is derived. Local flow condition, scour types, scour mechanism and factors influencing the scour depth are analyzed. Experiment study about water scour is undertaken, and scour depth with different factors about water discharge, flow depth, velocity, sediment ,different Angle and Protective materials and pattern of protecting is studied.。
In the paper, a computing method of velocity for reunite slope is discussed, which considers the slope characteristics and draw the relation of incipient velocity on the reunite slope with the incipient velocity on slight slope. Through the method of theoretical analysis and experiment study, the formula of the maximum scour depth and scour width of prevention wall in concave bank is put forward. The method of dimensional theory and regression analysis is used to deprive the formula for calculating the maximum scour depth. In order to satisfy with erosion protection of G315 road construction, 4 new protective structures are studied in model test, such as sand-bag pillow, geo-grade cage filled in sand, box assembled with zinc-plating steel wire bundled plastic and filled in gravel. The formulation of the maximum scour depth and scour width for prevention structure is revised.
引文
[1]陈秀万著 洪水灾害损失评估系统-遥感与 GPS 系统研究 1999.2
[2]胡春宏 惠遇甲著 明渠挟沙水流运动的力学和统计规律 1995.5 北京:科学出版社
[3]肖盛燮 凌天清等 公路桥梁抗洪分析 北京:人民交通出版社 2001
[4]蒋焕章 公路水毁防治技术 北京:人民交通出版社 1993
[5]川藏公路南线(西藏境内)山地灾害及防治对策 中国科学院-水利部成都山地灾害环境研究所 北京:科学出版社 1995
[6]中国科学院-水利部成都山地灾害环境研究所 西藏公路水毁研究 成都:四川科学技术出版社 2001
[7]高冬光 公路与桥梁水毁防治 北京:人民交通出版社 2002 年 7 月
[8]陈鸿凯 公路水毁学 北京:人民交通出版社 2001
[9]唐存本. 泥沙起动规律. 水利学报,No.2,1963.
[10]沙玉清. 泥沙运动学引论. 北京:中国工业出版社, 1965.
[11]韩其为,何明民. 泥沙运动统计理论. 北京:科学出版社,1984.
[12] Lane, E.W., “Progress Report of Studies on the Design of Stable Channels by the Bureau of Reclamation”, Proc., Amer. Soc. Civil. Engrs., Vol.79, No.280,1953.
[13] Stevens, M. A. and D. B. Simons, “Sability Analysis for Coarse Granular Material on Slopes”, in River Mechanics, by H. W.zzsdQED Shen(ed.), Vol.1, 1971.
[14] Ikeda, S. 1982, Incipient motion of sand Particles on side slopes. J.Hydr.Div., ASCE,Vol.108, No.1, pp 95-114.
[15]李保如. 泥沙起动流速的计算方法. 泥沙研究. V01.4,No.1,1959.
[16]窦国仁. 论泥沙起动流速. 水利学报, No.4,1960.
[17]万声金、窦国仁 挟沙水流紊动结构 水利水运科学研究 No.1,1995
[19]唐银安 吴安江 山区冲积性河流整治建筑物水毁原因及防治探讨 水运工程 1997年第四期 P37～P38
[20]李治平,王绍波 论西部公路建设的环境地质灾害及工程对策 西部探矿工程2002 年第 2 期 P118～120
[21]李秀荣 逢德武 刘成林 刘宏伟等 内蒙古自治区公路桥梁水毁现状调查与防治对策 内蒙古公路与运输 2001 年第 2 期 P27～28
[22]李云峰 张渊波 韩学义 公路工程施工中路堤边坡水毁的防治 辽宁省交通高等专科学校学报 2002 年 3 月 P27～28
[23]高速 方向池 公路水毁的研究防治现状及问题 中国减灾 1999 年 8 月 P39～42
[24]田伟平 李惠平 高冬光 沿河路基冲刷机理与冲刷深度 2002 年 7 月 P39~42
[25]张晋龙 贾彩平 论山区道路的水毁防治技术 山西交通科技 2002年4月 P36～30
[26]孙新军 宗爱君 新疆干线公路水毁成因及防治 西北公路 2001 年 3 月 P26～28
[27]何银星 川藏公路路基水毁防治 四川林勘设计 2002 年第 4 期 P52～54
[28]祝晓寅 陈鸿凯 翁其能 周富春 山区公路水毁机理与抗毁结构分析 重庆交通学院学报 2001 年 6 月 P58～63
[29]方向池 高鹏飞 高速 昆明至瑞丽公路水毁灾害现状及基本类型 灾害学 2000 年9 月 P 35~41
[30]Bijan Dargahi, Controlling Mechanism of Local Scouring, ournal of Hydraulic Engineering, October 1990
[31]Hughes, S. A., and Kamphuis , J. W. Scour at Coastal Inlet Structures,American Society of Civil Engineers, New York, 1996
[32]Zafer Bozkus and Osman Yildiz, Experimental Investigation of Scouring around Inclined Bridge Piers, Wetlands Engineering & River Restoration ,2001
[33]Abdel-Rahmann, N. M., The effect of flowing water on cohesive beds: Contribution no. 56, Versuchsanstalt fur Wasserbau und Erdbau an der Eidgenossischen Technischen Hochschule, Zurich, Switzerland, 1964
[34]Abdou, M.I., Effect of sediment gradation and coarse material fraction on clear-water scour around bridge piers: Ph.D. Thesis, Colorado State University, Fort Collins,Colo. 1993,
[35]Ahmad, M., Experiments on design and behavior of spur dikes: Proceedings of the International Hydraulics Convention, Minneapolis, Minnesota,p. 45-159. 1953,
[36]Ahmed, F., Sabur, M. A., and Andres, D. D., Pier scour on the South Saskatchewand River, Hydraulic Engineering 93, ASCE, p.1848-1853. 1993,
[37]Alawi, A. J., Some contributions to the study of scour in long contractions,Department of Civil and Engineering Mechanics, Universityof Arizona, Ph. D. Dissertation. 1985,
[38]Anderson, A. G., Erosion of sediment - local scour, Sedimentation Engineering, 1975
[39]Anderson, A. G., Scour at bridge waterways - a review: U.S. Federal Highway Administration Report FHWA-RD-89, 29 p. 1974,
[40]Bijan Dargahi,Controlling Mechanism of Local Scouring, Journal of Hydraulic
[41] Roger A. Kuhnle,Local Scour Associated with Angled Spur Dikes
[42]新疆宽浅变迁河流水沙运动规律研究报告 2003 年 6 月 重庆交通学院
[43]韩其为 何明民 非均匀沙起动机理及起动流速 长江科学院院报 1996 年 9 月 P12～17
[44]郭志学 方铎 曹叔尤 刘兴年 近底水流结构对非均匀沙起动影响的研究 四川大学学报 2002 年 11 月 P24～27
[45]兰波 无粘性均匀沙起动条件研究现状分析 重庆交通学院学报 1999 年 6 月 P145~152
[46]England F.Fredsoe J A.sediment Tiamsport Model for Straight Alluvial Channels. Nordic Hydology Vol.7,1976
[47]杨具瑞 方铎 何文社 李昌志 非均匀沙起动规律研究 水力学报 2002 年 10 月 P82～85
[48]Engelund,F. and E.Hansen, “A Monograph on sediment Transport in Alluvial Streams”,Teknisk Forlag, Copenhagen, 1972,p.62.
[49]刘月琴 弯曲型河流基本特性研究进展 人民珠江 2003 年第二期 P1～4
[50]钱宁,万兆惠. 泥沙运动力学. 北京:科学出版社, 1983.
[51]Helmut Scheuerlein. 从当前研究水平评述恩格斯三十年代的治黄模型试验. 第一次河流泥沙国际学术讨论会论文集.光华出版社, 1980.
[52]黄河会水科所《黄河志》编辑组,《黄河花园口堵口模型试验》档案资料的校勘与整理,1986.
[53]郑兆珍,挟沙河流模型试验定律之研究,天津大学, 1953.
[54]窦国仁等,全沙模型相似率及设计实例,泥沙模型使用技术经验交流会论文, 1978.
[55]张红武等,不同河型冲积河流的模拟方法,I.G.U.亚太区域地理大会论文, 1990.
[56]白世录,漳卫新河下东王险工段河工模型试验,泥沙研究, 1992(3).85～94.
[57]杨胜发,内流河宽浅变迁河段水沙运动规律研究,四川大学博士学位论文, 2003.
[58]惠遇甲,王桂仙,河工模型试验,北京:水利水电出版社, 1999.10
[59]钱宁,张仁,周志德 河床演变学 北京:科学出版社,1987
[60]张玉萍,弯道水力学研究现状分析 武汉水力电力大学学报,200,33(5):35～39、80
[61]张耀先,焦爱萍 弯曲型河道挟沙水流运动规律研究进展 泥沙研究,2002(4):53～58
[62]董耀华 弯道水流的基本特性及数值模拟 长江科学院院报 1996(1):25～29
[63]丁君松 弯道环流横向输沙 武汉水利电力学院学报 1965(1)
[64]Chang H H. Regular Meander Path Model. Eng. AECS, 1984a(10):1398~1411
[65]Chang H H. Variation of Resistance Through Curved Channels. J. Hydraul-Eng. AECS,1984b(2)
[66]张红武,吕昕 弯道水力学 北京:水利电力出版社 1993
[67]姚仕明,张玉琴,弯道推移质泥沙运动特性及其对河道演变的影响。长江科学院院报,2001,18(3):11～13
[2]胡春宏 惠遇甲著 明渠挟沙水流运动的力学和统计规律 1995.5 北京:科学出版社
[3]肖盛燮 凌天清等 公路桥梁抗洪分析 北京:人民交通出版社 2001
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[62]董耀华 弯道水流的基本特性及数值模拟 长江科学院院报 1996(1):25～29
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