跌坎冲刷的一维数值计算的研究

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1、学校代码:密级:公开硕士学位论文跌坎冲刷的一维数值计算的研究作者姓名刘茜学科专业防灾减灾工程及防护工程指导教师齐梅兰教授培养院系土木建筑工程学院二零一五年四月办交遂乂硕士学位论文跌坎冲刷的维数值计算的研作者:刘與导师:齐梅兰教授北京交通大学年月学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权北京夂通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入存关数据库进行检索,提供阅览服务,并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向岡家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。学

2、校可以为存在馆际合作关系的兄弟高校用户提供文献传递服务和交换服务。保密的学位论文在解密后适用本授权说明)学位论文作者签名:汙师签名:签字日期:及《年众月签字期:义夕年月§‘校代密级:公什北京交通大学硕士学位论文跌坎冲刷的维数值计算的研究作者姓名:刘茜学号:导师姓名齐梅六职称教授学位类别:工学学位级别:硕士学科专业防灾减灾工程及防护::程研究方向:桥渡冲刷及防护北京交通大学年月致谢岁月如歌,光阴似箭,两年半的研宄生生活即将结束。回首两年半的学习、科研经历,深感科研工作中创新的不易、坚持的可贵以及交流的重要。经历了找工作的喧嚣

3、与坎坷,我深深体会到了写作论文时的那份宁静与思考。对那些引导我、帮助我、激励我的人,我心中充满了感激。本论文的工作是在导师齐梅兰教授的悉心指导下完成的,齐梅兰教授严谨的科研态度和精益求精的工作理念时刻影响着我。从论文的选题、程序的编写和调试、计算结果的分析、直至论文的撰写,都倾注了导师无数的心血。在我硕士学习期间,齐老师始终密切关注着我的学习、生活,启发我,鼓励我,帮助我。老师渊博的知识、敏锐的洞察力、深邃的科学思维、严谨的治学态度以及高尚的品格,将趦我一生的楷模,也必将成为我后奋斗之日标。在此论文完成之际,衷心感谢齐梅兰

4、老师三年来对我的关心和指导。感谢国际泥沙研究培训中心的王延贵教授,对我的科研工作和论文都提出了许多宝贵意见,在此表示衷心的感谢。感谢郭辉师兄、李金钊师兄、郐艳荣同学在科研和生活中提供的帮助,还要感谢课题组的其他兄弟姐妹们,与他们在科研、生活中的相互交流让我受益良多,彼此之间也建立了深厚的友谊。感谢硕士班的同学们,是大家的支持、鼓励和帮助,让我在科研之余多了一份欢乐。需要特别感谢我的父母,感谢你们生活上无微不至的关怀和照顾、在学习上不断的鼓舞和支持,你们对我无私的爱是我不断前进的动力。感谢我的男朋友,在科研道路上的陪伴和支持

5、。最后,特别感谢在百忙之中评阅本文并出席答辩会的各位老师!摘要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,研宄跌坎的溯源冲刷的发展变化过程,及釆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

6、算精度。研宄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。研宄发现,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。在天然尺度下研宄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

7、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,同时要对釆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釆砂坑冲刷的影响。研究结果表明,距离变坡点越远,冲刷深度和输沙率越小,幵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

8、,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ABSTRACTABSTRACTThereexistmanyexcessivesandexcavationsituationsinthereachesnearthebridgesinChina,whichresul

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1、学校代码:密级:公开硕士学位论文跌坎冲刷的一维数值计算的研究作者姓名刘茜学科专业防灾减灾工程及防护工程指导教师齐梅兰教授培养院系土木建筑工程学院二零一五年四月办交遂乂硕士学位论文跌坎冲刷的维数值计算的研作者:刘與导师:齐梅兰教授北京交通大学年月学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权北京夂通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入存关数据库进行检索,提供阅览服务,并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向岡家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。学

2、校可以为存在馆际合作关系的兄弟高校用户提供文献传递服务和交换服务。保密的学位论文在解密后适用本授权说明)学位论文作者签名:汙师签名:签字日期:及《年众月签字期:义夕年月§‘校代密级:公什北京交通大学硕士学位论文跌坎冲刷的维数值计算的研究作者姓名:刘茜学号:导师姓名齐梅六职称教授学位类别:工学学位级别:硕士学科专业防灾减灾工程及防护::程研究方向:桥渡冲刷及防护北京交通大学年月致谢岁月如歌,光阴似箭,两年半的研宄生生活即将结束。回首两年半的学习、科研经历,深感科研工作中创新的不易、坚持的可贵以及交流的重要。经历了找工作的喧嚣

3、与坎坷,我深深体会到了写作论文时的那份宁静与思考。对那些引导我、帮助我、激励我的人,我心中充满了感激。本论文的工作是在导师齐梅兰教授的悉心指导下完成的,齐梅兰教授严谨的科研态度和精益求精的工作理念时刻影响着我。从论文的选题、程序的编写和调试、计算结果的分析、直至论文的撰写,都倾注了导师无数的心血。在我硕士学习期间,齐老师始终密切关注着我的学习、生活,启发我,鼓励我,帮助我。老师渊博的知识、敏锐的洞察力、深邃的科学思维、严谨的治学态度以及高尚的品格,将趦我一生的楷模,也必将成为我后奋斗之日标。在此论文完成之际,衷心感谢齐梅兰

4、老师三年来对我的关心和指导。感谢国际泥沙研究培训中心的王延贵教授,对我的科研工作和论文都提出了许多宝贵意见,在此表示衷心的感谢。感谢郭辉师兄、李金钊师兄、郐艳荣同学在科研和生活中提供的帮助,还要感谢课题组的其他兄弟姐妹们,与他们在科研、生活中的相互交流让我受益良多,彼此之间也建立了深厚的友谊。感谢硕士班的同学们,是大家的支持、鼓励和帮助,让我在科研之余多了一份欢乐。需要特别感谢我的父母,感谢你们生活上无微不至的关怀和照顾、在学习上不断的鼓舞和支持,你们对我无私的爱是我不断前进的动力。感谢我的男朋友,在科研道路上的陪伴和支持

5、。最后,特别感谢在百忙之中评阅本文并出席答辩会的各位老师!摘要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,研宄跌坎的溯源冲刷的发展变化过程,及釆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

6、算精度。研宄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。研宄发现,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。在天然尺度下研宄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

7、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,同时要对釆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釆砂坑冲刷的影响。研究结果表明,距离变坡点越远,冲刷深度和输沙率越小,幵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

8、,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ABSTRACTABSTRACTThereexistmanyexcessivesandexcavationsituationsinthereachesnearthebridgesinChina,whichresul

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