洪涝灾害对桥梁水力冲击数值模拟研究

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气候变化增大了溃坝和洪涝灾害发生的可能性,因此对洪水及溃坝等自然灾害的预测则对于危险地区人员的疏散至关重要。世界经济飞速发展,各地也出现了越来越多的沿海桥梁,而洪涝灾害一旦发生,对桥梁往往会产生相对应的水力冲击,进而影响桥梁的正常使用,而关于这一方面的相关研究却还较少。因此,本文主要研究干湿河床上的溃坝流及溃坝洪水对桥梁的水力冲击。首先,溃坝波的传播必然会受到下游河床条件(如障碍物,干,湿河床)的影响。在这项研究中,首先采用基于MPS的无网格方法模拟在不同河床配置中的溃坝波传播。该无网格方法擅长捕获溃坝流中的自由表面及坡脚位置。在该数值方法中,本文使用了显式的压力场计算求解泊松方程,而空间算子基于移动粒子半隐式方法(MPS)。通过与可获取的实验测量值进行比较,验证了该无网格方法可以模拟干湿河床上的溃坝流。然后将经过验证的方法用于模拟在不同深度的下游湿床上传播的溃坝流。还通过该无网格方法研究了干湿组合河床对溃坝流的影响。在数值模拟中,提出并讨论了包括自由表面,流态,坡脚运动以及底部剪切应力在内的一系列流动特性,探索规律,量化影响。洪涝灾害对桥梁的水力冲击与溃坝流之间存在一定关联,为进一步探求规律,本文继续应用该无网格数值模型进行溃坝洪水对桥梁的水力冲击的模拟。用该无网格数值模型,通过改变上游水体的体型,如水体长度等,研究不同上游水体形成的溃坝流对矩形桥面板各个侧面冲击影响;然后改变上游水体和矩形桥面板之间的距离,分析其对矩形桥面板的水力冲击性能,从而探究处洪涝灾害对桥梁水力冲击的规律,量化影响,得出结论。本文针对各地经常发生的溃坝及洪涝灾害,重点研究了溃坝水流对矩形桥面板的冲击作用,为今后沿海桥梁结构设计修订相关规范提供了一定依据。
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