桥墩群条件下的地形演变规律及水沙互馈机理研究

With the rapid development of economy, more and more bridges have been constructed across rivers in China. The influence of bridges interaction on flow and sediment motion is hence catching attention. This project aims to study the topographic evolution and flow-sediment mutual feedback mechanism around bridge piers, through the integrated use of flume experiments, numerical simulations and theoretical analysis. A variety of pier type and location, flow condition, scouring duration will be considered during the measurement of 3D topography and flow characteristic. Five aspects of the subject are to be analyzed: the quantitative characteristics of statistical topographic parameters for local scouring process based on the statistics and fractal theory; the temporal and spatial variation of flow characteristics; the real-time temporal and spatial correlation between topographic evolution and flow characteristic changing, by comparing the first two aspects; the cumulative effects of piers group on sediment transport. This project is a multidisciplinary research involving Mechanics of sediment transport, River dynamics, Fluid mechanics, and Bridge hydraulics, and will be helpful and supporting to the rational use and scientific management of rivers.

随着我国经济飞速发展，河流中的桥梁日益增多，桥梁间的累积效应对水沙运动特性的影响日益受到重视。本课题拟通过水槽实验、数值模拟及理论分析等手段，研究桥墩群条件下的地形演变规律及水沙运动互馈机理。通过改变桥墩类型与布置方式、水流条件、冲刷时长等因素，获取桥墩群条件下的地形及水流特性。提出基于数理统计理论及分形理论的桥墩群周围地形演变的计算方法，用于从整体及局部上描述桥墩群周围地形形态特征；分析桥墩群周围三维水流特性的时空变化规律；对比地形演变与水流特性时空变化规律，探究地形演变与水流特性变化的时空相关性；揭示桥墩群累积效应影响下的泥沙输移特性。本研究属于泥沙运动力学、河流动力学、流体力学、桥梁水力学等多学科交叉研究，将为涉河工程群的布置、河岸线规划利用及河道整治等提供科学依据。

随着我国经济飞速发展，河流中的桥梁日益增多，桥梁间的累积效应对水沙运动特性的影响日益受到重视。为此，本项目采用实验研究与理论分析等方法探究桥墩群局部冲刷特性、水流特性及地形演变规律，主要成果有：.（1）不同桥墩形状对其周围的地形演变规律产生影响。利用分形理论及数理统计对桥墩周围地形的演变规律进行分析，认为不同桥墩周围地形对应的统计规律基本一致。各地形剖面的演变规律均满足对数规律。通过R/S方法发现最大冲刷、纵向冲刷范围及横向冲刷范围同样满足相同的统计规律。在统计意义上，上述一维参量的演变规律相互独立。.（2）不同桥墩间距及不同冲刷时间对应的双桥墩周围地形具有相似性；同时单一桥墩与双桥墩周围冲刷地形同样具有相似性；冲刷时间小于5小时对应的水流紊动特性与冲刷时间大于24小时的存在一定程度的不同；同时当地形达到稳定时（冲刷时间大于24小时），其对应的水流紊动特性基本相同；最后采用2D象限分析法得到不同桥墩间距及不同冲刷时间对应的各个象限占比，并通过马尔科夫链分析猝发过程在不同象限间的转化规律。. （3）不同桥墩间距下的桥墩群累积效应随时间的变化规律可以分为遮蔽阶段、共同作用阶段及稳定阶段等三个阶段；在稳定阶段，双排桥墩布置的上排桥墩对应的局部冲刷深度随着纵向间距的增加先增加后减小，直至等于单一桥墩对应的局部冲刷深度；而下排桥墩，其局部冲刷深度随纵向间距的增加先增加后减小；最后通过对比不同桥墩数量下的局部冲刷深度发现，桥墩数量的增加使得桥墩群累积效应更为明显。.本研究属于泥沙运动力学、河流动力学、流体力学、桥梁水力学等多学科交叉研究，将为桥梁工程安全建设、涉河工程群的布置、河岸线规划利用及河道整治等提供科学依据。