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原文传递跌坎冲刷的一维数值计算的研究

论文题名：	跌坎冲刷的一维数值计算的研究
关键词：	桥梁安全;采砂坑;跌坎冲刷;洪水特性;数值模拟
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，研究跌坎的溯源冲刷的发展变化过程，及采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Godunov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、适用性及计算精度。　　研究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。研究发现，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。　　在天然尺度下研究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，同时要对采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采砂坑冲刷的影响。研究结果表明，距离变坡点越远，冲刷深度和输沙率越小，开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，最大输沙率增加，而溯源长度减小。
作者：	刘茜
专业：	防灾减灾工程及防护工程
导师：	齐梅兰
授予学位：	硕士
授予学位单位：	北京交通大学
学位年度：	2015
正文语种：	中文