波流共同作用下大直径淹没圆柱周围局部冲刷试验研究

论文摘要

随着社会经济建设的快速发展,海洋建筑物建设大多数需要桩柱基础,大直径淹没桩柱基础在水下沉箱、消能措施、钻井平台基础和鱼类栖息地等结构中应用广泛。近海环境中,波浪、潮流往往同时存在,波浪水流共同作用下圆柱基础周围产生局部冲刷,严重影响结构的稳定性,因此对于波流共同作用下大直径淹没圆柱周围局部冲刷试验研究具有重要的科学价值和理论意义。本文采用中值粒径为0.22mm的原型沙在波流水槽中试验段沙槽内铺设平底沙床,模拟波流作用下平底海床上大直径淹没圆柱周围的局部冲刷试验。通过波流水槽试验,研究不同波流条件及淹没率情况下,大直径淹没圆柱周围局部冲刷机理,圆柱周围底床孔隙水压力分布变化与局部冲刷的关系和最大平衡冲刷坑深度影响因素。研究结果表明:波流共同作用时,大直径淹没圆柱周围局部冲刷发展历时曲线变化趋势较为一致,平衡时冲刷坑形态主要由柱前半环状冲刷坑,侧后方冲刷坑边坡和柱后马鞍状沙丘组成;淹没圆柱相对于非淹没圆柱,冲刷速率和平衡冲刷坑度较小,达到冲刷平衡所需要的时间更长。随着淹没率Sr的增加,冲刷发展速率减慢,冲刷坑的半径和深度随之减小;波流逆向传播时平衡冲刷坑形态相当于波流顺向时冲刷坑旋转180度,但是冲刷坑深度、半径和淤积高度相比同波浪条件加顺流时要小;大直径圆柱由于会产生较大的反射和绕射,冲刷坑形态和范围较小直径圆柱有很大的差异。圆柱周围的孔隙水压力呈周期性的正弦变化,随着冲刷深度的增加孔隙水压力的幅值也在缓慢的增加,孔隙水压力在一系列波谷作用下对沙粒施加向上的渗透力,有利于床沙的流动性和冲刷。相关无量纲参数(θ、Ucw、KC和Fr)对平衡冲刷坑深度影响很大,当KC数不变时,冲刷深度s/D随着相对流速Ucw和Fr的增大而增大,当Fr增大到一定程度时(Fr>0.8),冲刷深度s/D趋于稳定;Ucw在固定范围内时,冲刷深度s/D随KC数的增加而增加,增长速率逐渐变慢;相同波流条件下,冲刷深度s/D随着淹没率Sr的增加显著减小;当圆柱的高径比hc/D>1时,随着圆柱高度增大,冲刷深度增长的较快直至达到稳定值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 前言
•   1.2 国内外研究现状
•     1.2.1 非淹没圆柱基础周围局部冲刷研究
•     1.2.2 淹没圆柱基础周围局部冲刷研究
•   1.3 本文主要研究工作
• 第二章 模型试验概述
•   2.1 试验仪器及设备
•   2.2 试验模型及布置
•     2.2.1 试验模型
•     2.2.2 试验布置
•   2.3 试验工况
•   2.4 试验方法及步骤
•   2.5 本章小结
• 第三章 大直径淹没圆柱周围局部冲刷机理研究
•   3.1 波流共同作用时波高流速变化
•   3.2 圆柱周围冲刷发展历时
•     3.2.1 试验结果对比
•     3.2.2 淹没率对冲刷坑深度随时间发展的影响
•     3.2.3 波要素和流速对冲刷坑深度随时间发展的影响
•     3.2.4 冲刷坑地形随时间的变化
•   3.3 平衡冲刷坑的形态
•     3.3.1 不同淹没率情况下冲刷坑形态对比
•     3.3.2 清、浑水冲刷坑的形态及范围
•     3.3.3 大直径圆柱和小直径圆柱冲刷坑形态对比
•   3.4 本章小结
• 第四章 圆柱周围孔隙水压力与局部冲刷的关系
•   4.1 圆柱周围孔隙水压力响应
•     4.1.1 不同位置处孔隙水压力随波高的变化
•     4.1.2 孔隙水压力梯度随波高的变化
•     4.1.3 纯海床与圆柱周围孔隙水压力对比
•   4.2 圆柱周围孔隙水压力的变化对冲刷的影响
•   4.3 本章小结
• 第五章 不同因素对最大冲刷坑深度的影响
•   5.1 无量纲参数对最大平衡冲刷坑深度的影响
•     5.1.1 希尔兹数θ对最大冲刷坑深度的影响
• cw对最大冲刷坑深度的影响'>    5.1.2 相对流速U_cw对最大冲刷坑深度的影响
•     5.1.3 KC数对最大冲刷坑深度的影响
• r数对最大冲刷坑深度的影响'>    5.1.4 F_r数对最大冲刷坑深度的影响
•   5.2 不同淹没圆柱高度对最大平衡冲刷坑深度的影响
• r对冲刷深度的影响'>    5.2.1 淹没率S_r对冲刷深度的影响
• c/D对冲刷深度的影响'>    5.2.2 圆柱相对直径高度h_c/D对冲刷深度的影响
•   5.3 本章小结
• 第六章 结论与展望
•   6.1 结论
•   6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 攻读学位期间发表论文目录
• 附录B 攻读学位期间从事科研项目目录

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 王文森

导师: 程永舟

关键词: 波流共同作用,冲刷坑形态,最大冲刷深度,淹没率,无量纲参数,孔隙水压力

来源: 长沙理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 地球物理学,公路与水路运输,水利水电工程,水利水电工程

单位: 长沙理工大学

分类号: U652;TV139.2

DOI: 10.26985/d.cnki.gcsjc.2019.000757

总页数: 83

文件大小: 7066K

下载量: 51