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原文传递空间异质性空心块体的局部水动力及冲淤特性

论文题名：	空间异质性空心块体的局部水动力及冲淤特性
关键词：	航道整治;空心块体堤身;水动力特性;冲淤特性
摘要：	航道是关系流域经济发展的重要通道，近年来大量航道整治工程不断升级与兴建。整治建筑物日新月异，基于透空型结构和鱼礁理念提出一种新型空心块体堤身结构，在满足稳定与消浪的要求下对空心块体周围水动力特性与局部冲淤特性进行研究。确保空心块体在发挥整治功能的同时，为工程区域内的水生生物提供适宜的栖息地环境，减少整治工程对环境的不利影响。依托长江口南槽航道，通过开展系列水槽试验，探讨不同工况下两种结构组合方式对空心块体堤身结构的稳定、波浪力以及消浪效果。采用数值模拟分析不同波浪条件下结构周围流场、紊动强度等物理量分布情况。并对不同流速和组合方式下空心块体周围局部冲刷形态和冲刷坑深度展开研究。主要研究内容和结论如下: 　　(1)空心块体堤身结构的研发与水槽实验。根据工程区域的底栖生物的栖息地需求研发了空心块体堤身结构，通过几何比尺1∶20对空心块体堤身结构的稳定性与消浪效果开展系列水槽试验，结果表明空心块体在破坏性波浪与水位组合条件下均未产生滑移，结构保持稳定。在相同的水流条件下，空心块体受到的波浪力主要为水平力方向，不同位置的空心块体受到的波浪力大小顺序为:迎浪侧方块＞背浪侧方块＞中部方块。相对于结构的组合方式，水深与波浪对结构的消浪效果影响较明显。在相同的组合方式下，空心块体的波浪透射系数随相对淹没深度的增大而减小，消浪效果越好。　　(2)空心块体周围水动力特性的数值模拟。运用FLOW-3D软件中的RNG k-ε湍流模型，通过入口边界造波和孔隙结构消波，建立了三维数值波浪水槽。将物理模型试验测得的波浪数据与数值水槽进行了对比发现数值水槽造波可靠。波浪作用下的空心块体周围流场随波浪周期与波高呈现周期性变化。试验结果表明空心块体周围流速与紊动能随入射波高和周期的增大而增大。两侧的空心块体紊动强度均大于中部方块，坝顶紊动区面积逐渐变大。堤身结构的流场效应明显，可满足不同类型的鱼类幼鱼、鱼籽和底栖生物的水动力需求。　　(3)空心块体周围局部冲淤特性的数值模拟。对空心块体堤身结构局部冲刷的数值模拟结果表明，空心块体局部冲刷都是从迎流面两端开始，逐渐向空心块体两侧发展。冲刷深度呈先快后慢的增大趋势。从冲刷发展的趋势来看，来流速度越大，泥沙冲刷的速率加快，将更快趋于冲刷平衡状态。两种组合方式空心块体的局部冲刷存在差异，组合方式一的错孔布置使空心块体具有封堵功能，组合方式二中的对空布置更有利于水体交换。泥沙的冲刷深度组合方式一相对组合方式二中较小，淤积范围更广，更有利于水生生物的栖息。为后续空心块体的冲刷防护等提供了依据。
作者：	汤薇
专业：	水利工程
导师：	常留红
授予学位：	硕士
授予学位单位：	长沙理工大学
学位年度：	2021