泥石流对桥墩冲击力研究

论文摘要

我国山区面积占国土面积的2/3,随着我国经济的发展,需要在山区修建越来越多的桥梁。山区中各种自然灾害频发,泥石流是其中主要的地质灾害之一。泥石流是一种含有大量泥沙和石块的固、液、气三相流,蕴含有巨大的能量,会对桥梁造成毁灭性的破坏。因此,迫切需要对泥石流对桥梁的破坏机理进行研究,而其中一个前提便是确定泥石流对桥墩的冲击力大小。泥石流冲击桥墩时会发生绕流现象,这与目前以泥石流冲击拦挡坝为对象的研究有显著不同。本文进行了泥石流冲击桥墩模型试验,分别从宏观的流变模型和微观的应力成分两个方面研究了泥石流的冲击力,用试验结果验证了数值模型,随后使用数值模拟拓展了缩尺试验、提出了冲击力三层模型,并用足尺数值模型对该三层模型进行了完善。本文主要内容如下:(1)对本文的研究背景、研究意义进行介绍,指出确定泥石流对桥墩的冲击力是探讨泥石流对桥梁的破坏机理的前提;围绕着试验和数值模拟这两种泥石流冲击力研究方法,对国内外的研究现状进行了归纳总结,指出了现有研究存在的问题和应该研究方向,确立了本文的研究目标和内容。(2)建立试验平台进并展开相关试验。室内平台含泥石流槽、圆形和方形截面两个桥墩、冲击压强与合力传感器、10种泥石流原料。试验合计36个工况,原始冲击信号经过降噪和移动平均后用于分析泥石流的冲击压强和冲击合力。(3)测量了泥石流浆体的流变参数,发现泥石流的流变参数与流速的关系可用曼宁公式进行拟合,泥石流的流变参数与冲击合力系数的关系可用非牛顿流体雷诺数进行拟合表达。进一步的,把相对复杂的冲击合力系数拟合公式简化为稀性和粘性泥石流对方形和圆形桥墩的冲击合力系数,并与现行规范进行了比较。(4)试验结果表明泥石流运动形态可以分为A、B、C类,可使用两个无量纲数拟定流动形态的划分标准。流动形态对泥石流的冲击压强和冲击力影响很大。目前研究广泛应用的泥石流冲击压强系数经验公式存在着缺陷,可基于泥石流中的压强成分进行改进。(5)泥石流对桥墩冲击力可以基于宾汉体进行模拟,基于此本文对泥石流运动控制方程、模拟平台OpenFOAM进行了介绍,并使用室内循环水槽试验证了本文数值模型对泥石流运动流场的模拟结果,使用本文中的泥石流冲击桥墩试验验证了数值模型对泥石流冲击力模拟结果。(6)针对室内泥石流槽试验的不足,在前文缩尺试验的基础上,使用大容量储料箱,并增加了圆端形、长方形和菱形三种截面形状的桥墩,使用数值模型研究了粘性泥石流和稀性泥石流冲击桥墩的流动特征、冲击压强和冲击合力,以及它们沿桥墩的分布规律。提出新的泥石流冲击力模型,即冲击力三层模型(剪切层、栓塞层和爬高层)。(7)缩尺模型存在相似比方面的缺陷,为克服这一缺陷,本文建立了足尺的泥石流冲击圆形桥墩数值模型,研究了各种来流坡度和流变参数下泥石流绕桥墩的流动特征、三层模型中各层的高度和冲击压强、冲击合力系数。其中三层模型的剪切层高度和栓塞层高度可使用粘塑性润滑模型进行理论求解,其他则基于参数拟合。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 研究背景与意义
•   1.2 国内外研究现状与分析
•     1.2.1 泥石流冲击力试验研究现状
•     1.2.2 泥石流冲击桥墩数值模拟研究现状
•   1.3 本文主要研究内容
• 第2章 泥石流对桥墩冲击力试验及数据处理方法
•   2.1 概述
•   2.2 泥石流槽
•   2.3 桥墩模型
•   2.4 测量系统
•   2.5 泥石流原料
•   2.6 试验过程
•   2.7 信号处理
•     2.7.1 噪音消除
•     2.7.2 冲击压强及冲击力计算
•   2.8 本章小结
• 第3章 泥石流浆体流变参数与泥石流冲击力的关系
•   3.1 概述
•   3.2 流变参数的测量
•     3.2.1 测量仪器及方法
•     3.2.2 流变参数计算及结果
•   3.3 流动速度
•   3.4 冲击力与阻力系数
•   3.5 规范对比
•   3.6 本章小结
• 第4章 泥石流流动形态与泥石流冲击力的关系
•   4.1 概述
•   4.2 泥石流流动形态分类
•   4.3 流动形态分类
•   4.4 泥石流的冲击压强及冲击压强系数
•   4.5 泥石流的冲击合力及冲击合力系数
•   4.6 对基于傅汝德数的冲击压强公式修正
•   4.7 本章小结
• 第5章 泥石流对桥墩冲击力数值模拟的方法及验证
•   5.1 概述
•   5.2 基于OpenFOAM的数值模拟方法
•     5.2.1 OpenFOAM平台介绍
•     5.2.2 泥石流运动控制方程
•   5.3 循环水槽试验的流场对比验证
•     5.3.1 循环水槽试验
•     5.3.2 数值模型
•     5.3.3 结果对比
•   5.4 泥石流冲击桥墩模型试验的对比验证
•     5.4.1 试验工况
•     5.4.2 数值模型
•     5.4.3 结果对比
•   5.5 本章小结
• 第6章 泥石流冲击桥墩模型数值模拟
•   6.1 原有试验的局限
•   6.2 数值模拟工况设置
•   6.3 一般流动特征
•   6.4 流动深度
•   6.5 流动速度
•   6.6 冲击力与冲击系数
•   6.7 冲击力沿桥墩高度的分布规律
•   6.8 本章小结
• 第7章 泥石流对桥墩的冲击力三层模型
•   7.1 量纲分析
•   7.2 冲击力三层模型
•     7.2.1 粘塑性润滑模型
•     7.2.2 泥石流爬高模型
•   7.3 数值模型设计
•   7.4 流动特征
•   7.5 剪切层、栓塞层高度和爬高
•   7.6 冲击压强分布
•   7.7 冲击合力与冲击合力系数
•   7.8 本章小结
• 结论与展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文及研究成果

文章来源

类型: 博士论文

作者: 王友彪

导师: 李亚东

关键词: 桥墩,泥石流,冲击力,水槽试验,流变参数,三层模型

来源: 西南交通大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 地质学,地质学,工业通用技术及设备,公路与水路运输

单位: 西南交通大学

基金: 国家自然科学基金资助项目(51478400)

分类号: U443.22;P642.23

DOI: 10.27414/d.cnki.gxnju.2019.001616

总页数: 116

文件大小: 11686K

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