近岸跨海橋群樁基礎(chǔ)波流沖刷過程研究項目摘要

近岸波流劇烈變化可導(dǎo)致跨海大橋群樁基礎(chǔ)周圍海床面強烈的非恒定沖刷或淤積，影響橋梁結(jié)構(gòu)的動力性能，甚至威脅大橋安全，因此研究群樁波流沖刷或淤積的動態(tài)變化規(guī)律十分必要。本項目針對跨海大橋常用的群樁基礎(chǔ)和近岸波流沖刷特點，采用基于水-沙理論的分析、水沙運動的同步觀測試驗以及數(shù)值模擬方法，研究群樁周圍海床沖、淤的時變過程。通過研究近岸帶群樁間波流破碎的物理機制、波流結(jié)構(gòu)與泥沙運動的力學(xué)關(guān)系，揭示近岸波流-群樁-海床泥沙各變量的動態(tài)制約機理，建立海底床面沖、淤動態(tài)演變方程，從而實現(xiàn)近岸群樁基礎(chǔ)波流沖淤實時過程的數(shù)值模擬。本項目的研究，為將來研究群樁基礎(chǔ)沖、淤對橋梁結(jié)構(gòu)、高速鐵路車橋動力響應(yīng)及災(zāi)害防御模擬奠定基礎(chǔ)。

圍繞海岸帶橋梁的群樁基礎(chǔ)周圍床面沖刷而誘發(fā)橋梁結(jié)構(gòu)潛在的不穩(wěn)定問題，主要開展了海床底坡與群樁影響的底部波流動力演變、群樁-波流作用的泥沙輸運及局部床面沖淤和近岸底坡-群樁底床沖淤發(fā)展過程研究等關(guān)鍵內(nèi)容的研究。根據(jù)不同的研究主題分別采用了實驗室試驗和數(shù)值模擬方法。獲得以下主要結(jié)果：（1）近岸淺水特征下，流體運動方程的非線性對波流動力演變有明顯影響，波浪向岸爬坡過程中的破碎狀態(tài)由海岸坡度及相對波高決定；（2）修正了湍流模型中考慮床面粗糙度影響的模擬方程，提出了考慮樁柱局部湍流渦、脈動切應(yīng)力影響下的泥沙輸運和局部沖刷定量計算方法；（3）揭示了樁間布置對馬蹄渦流態(tài)與床面沖刷分布影響的相關(guān)機制，描述了群間沖刷發(fā)展的時序與空間狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)了群樁周圍波流馬蹄渦尺度隨沖刷時間和沖刷坑尺度增大；（4）沖刷過程的泥沙懸移或推移輸運狀態(tài)和對局部沖刷的貢獻(xiàn)可由Rouse數(shù)判別，波流作用下樁間床面沖刷的泥沙運動主要表現(xiàn)懸移形式，樁間淤積部位泥沙運動主要表現(xiàn)為推移形式；（5）岸坡上群樁周圍的強沖刷主要發(fā)生于波流回落時段，該時段波流產(chǎn)生的床面切應(yīng)力仍為沖刷的顯著動力；（6）研究了波流－泥沙－床面變形運動方程在數(shù)值計算中的耦合求解，提出了數(shù)值模擬波流沖刷過程的近床面離散網(wǎng)格畸變修復(fù)技術(shù)，實現(xiàn)了在OpenFoam開源平臺對群樁波流沖刷動態(tài)發(fā)展過程的模擬。 2100433B

內(nèi)容簡介

本書結(jié)合作者多年來在該領(lǐng)域開展的研究工作，試圖通過對深水橋梁基礎(chǔ)沖刷方面的基礎(chǔ)知識、研究進(jìn)展以及工程實踐等進(jìn)行系統(tǒng)的介紹，以期讀者能夠較為全面地了解深水橋梁基礎(chǔ)的沖刷問題，并希望本書有助于讀者在掌握相關(guān)理論和已有成果的基礎(chǔ)上開展新的研究和探索。本書第一章對深水橋梁群樁基礎(chǔ)沖刷的基礎(chǔ)知識和研究現(xiàn)狀進(jìn)行了介紹，由于沖刷研究涉及到多個學(xué)科，需要對沖刷分析涉及的水流、土體侵蝕以及橋梁基礎(chǔ)特性進(jìn)行了必要的了解；第二章至第五章主要針對群樁基礎(chǔ)沖刷的機理和分析方法進(jìn)行闡述，所涉及的物理模擬、理論分析和數(shù)值分析主要側(cè)重于機理方面的研究；第六章至第八章則側(cè)重于介紹沖刷對群樁基礎(chǔ)承載性能的影響，分別從靜力作用和動力響應(yīng)等方面進(jìn)行論述；第九章主要針對沖刷防護(hù)技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)論述。 梁發(fā)云，男，1976年3月出生，博士，教授，博士生導(dǎo)師，現(xiàn)任同濟大學(xué)教授，地下建筑與工程系副主任，巖土及地下工程教育部 重點實驗室副主任。擔(dān)任中國建筑學(xué)會地基基礎(chǔ)分會理事、中國土木工程學(xué)會港口工程分會理事等。2100433B

波流作用下孤立式建筑物基礎(chǔ)的局部沖刷問題是關(guān)系到結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)安全的重要課題。擬通過超大型波浪水槽實驗，探討波浪作用下建筑物周圍及床面的流場特性，對比分析黏性沙和無黏性沙床面沖刷坑形態(tài)及發(fā)展過程的差異，觀測沙波對沖刷坑的影響。搜集常規(guī)水槽試驗及現(xiàn)場沖刷深度實測資料，分析其與超大水槽試驗結(jié)果的差異及造成差異的原因，在此基礎(chǔ)上對以往沖刷深度計算公式進(jìn)行檢討和修正。開發(fā)波流共同作用下孤立建筑物周圍水流運動數(shù)值模型，藉此開展對建筑物周圍及沖刷坑內(nèi)三維流場特征的數(shù)值模擬；進(jìn)一步通過研究已有黏性和無黏性泥沙運動的理論成果，開發(fā)波流共同作用下的沖刷模型計算模塊，藉此研究不同KC數(shù)下孤立建筑物周圍的沖刷坑形態(tài)及沖刷坑深度發(fā)展過程。針對實際工程的典型情況，分析沖刷機理，提出相應(yīng)的防沖措施。

跨海橋梁（sea bridge），是跨越海面，連接海峽、海灣兩岸供車輛、行人、管道通過的架空建筑物。

中文名稱

跨海橋梁

英文名稱

sea bridge

定　　義

跨越海面，連接海峽、海灣兩岸供車輛、行人、管道通過的架空建筑物。

應(yīng)用學(xué)科

資源科技（一級學(xué)科），海洋資源學(xué)（二級學(xué)科）