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原文传递陕南山区沿河公路水毁的河道流场特性研究

论文题名：	陕南山区沿河公路水毁的河道流场特性研究
关键词：	河道流场特性;防护范围;公路水毁
摘要：	山区沿河路基受河道水流冲刷而导致水毁，引发交通中断的现象时有发生。论文依托陕南山区沿河公路工程，结合公路水毁主要类型及特征，以弯道凹岸冲刷和顺直河道挑流、压缩冲刷等水毁形式的河道水流流场特性为研究对象，利用野外现场调查、模型试验和数值模拟相结合的手段，采用河道水力及几何原型基本参数，从不同的水力条件、弯道几何形态、直道挑流角度、压缩占比、压缩长度等方面，系统研究流场特性变化规律。在此基础上，建立流场相关变量“最大值”计算模型，提出路基水毁防护范围确定方法，从而为山区公路水毁问题的管养及防治提供一定的决策与支撑。主要研究内容及成果如下：　　（1）通过多年实地调查，分析了陕南山区公路沿线自然环境特征，归纳了水毁主要类型及影响因素。结果表明：按河道水流与路基的作用特征，公路水毁形式主要包括：弯道凹岸冲刷、顺直路段压缩和挑流冲刷、水漫路面的纵向冲刷。　　（2）结合河湾河道水力及几何原型基本参数，开展不同流量条件下的弯道水流模型试验，分析了流场水深、流速分布变化特征；基于计算流体动力学理论，分别模拟了127.91～471.44m3/s五种流量、50°～170°五种弯道中心角、1.5～9.0五种曲宽比条件下的弯道水流流场。分析了流量、弯道中心角、曲宽比因素对流场相关变量的影响规律。建立了凹岸路基沿程最大水深相对于正常水深的增幅、床面最大剪应力、水面最大横向超高计算式。　　（3）根据弯道最大环流强度位置、主流及壁面剪应力分布等变化特征，得出了凹岸路基水毁防护范围与河道水力、几何要素间的变化关系，建立了凹岸路基水毁防护范围计算式。结果表明：路基防护起点宜选在弯道最大环流强度位置附近，防护起点所处断面位置随弯道中心角、曲宽比的增大而偏上游，而随流量的增大不发生变化；终点宜选在出弯下游2.5B位置，其中出弯0.625～1.25B流程为路基重点防护段。　　（4）结合顺直路段压缩和挑流流场的水力及几何原型基本参数，分别模拟了127.91～471.44m3/s五种流量、0.2～0.6五种河宽压缩比、37.5～137.5m五种压缩段长度、15°～75°五种挑流角度条件下的流场特征，分析了流量、压缩比、压缩长度、挑流角对流场相关变量的影响规律。综合各因素影响，建立了沿岸最大水深、床面及岸壁面最大剪应力计算式。　　（5）根据床面及岸壁面剪应力分布特征，得出了压缩冲刷和挑流冲刷路基水毁防护范围确定方法。结果表明：对于压缩冲刷，路基存在压缩段时，水毁防护范围为压缩段流程，其中，压缩段进、出口端墙脚部位应予以重点防护。路基对岸存在压缩段时，防护范围还应包括压缩段出口下游流场影响范围，压缩段出口下游防护长度与流量、河宽压缩比呈正比，而随压缩段长度的变化，下游防护长度不变；对于挑流冲刷，水毁防护范围为挑流段出口下游路基河岸水深持续减小的流程，防护长度分别随流量、压缩比、挑流角的增大而增长。　　（6）研究得到的流量、几何因素对流场特性的影响规律，以及路基沿程最大水深、床面和岸壁面最大剪应力、路基水毁防护范围等计算式，可为路基水毁防护范围选定、沿河公路路线及高程设计、顺直路段加宽、防护结构物设计等方面提供参考依据。
作者：	赵欢
专业：	防灾减灾工程及防护工程
导师：	田伟平
授予学位：	博士
授予学位单位：	长安大学
学位年度：	2022