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干湿床涌波对直墙和底床冲击过程实验研究及统计分析

干湿床涌波对直墙和底床冲击过程实验研究及统计分析

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作者：霍子靖浙江大学

学位级别：硕士

研究溃坝涌波的水动力特征及其对下游结构物的冲击作用对于海岸建筑结构的设计和海岸带防灾减灾策略的制定具有重要的意义。既往研究中关于湿床涌波冲击直墙的实验研究较为缺乏。在干床、湿床涌波的对比研究方面,多采用数值模拟,缺少实... 详细信息

研究溃坝涌波的水动力特征及其对下游结构物的冲击作用对于海岸建筑结构的设计和海岸带防灾减灾策略的制定具有重要的意义。既往研究中关于湿床涌波冲击直墙的实验研究较为缺乏。在干床、湿床涌波的对比研究方面,多采用数值模拟,缺少实验室模型实验,关于初始下游水位对涌波冲击作用的影响尚缺乏系统的认识。此外,在波浪-结构物相互作用问题上,往往仅关注了波浪对结构物自身的作用,而忽略冲击对结构物底床的作用力特性。既往关于波浪冲击作用不确定性的研究较为丰富,然而具体到涌波对结构物冲击作用的不确定性研究则较为缺乏。本研究基于一系列实验室模型实验,对比研究了干床、湿床情况下涌波的传播及冲击作用的差异,分析了初始下游水位对涌波冲击过程的影响,研究了底床的受力特性,明确了底床与直墙不同位置处受力的区别与联系,基于不同概率模型对干床情况下涌波冲击作用的不确定性展开了统计分析,给出了参数变化的规律。本研究开展了一系列溃坝实验以探究干床、湿床涌波对下游直墙和底床的冲击压强作用。在实验中,在保持初始水头相同的情况下选取5种不同的初始下游水位,记录了直墙和底床上不同位置处的干床、湿床涌波冲击压强时间变化过程。随着初始下游水位的增大,其涌波波前速度逐渐越小,而波前水体体积增加。更快的波前速度会导致更高的墙体上冲高度,然而初始下游水位较大的情况下,来波会更多雍堵在直墙前。较小初始下游水位情况下的湿床涌波会与干床涌波导致类似的冲击压强时变特点,即显著的初始瞬时冲击压强,而由于下游水体的缓冲作用,较大初始下游水位情况下的湿床涌波则不会导致显著的初始瞬时冲击压强。对于直墙底部区域,受涌波来波波形的影响,干床涌波导致的初始瞬时冲击压强对直墙底部的高度位置较为敏感,随着位置的增高,冲击压强显著降低,而湿床涌波导致的初始瞬时冲击压强在直墙的底部区域内较为均一。依据干床涌波冲击直墙过程中底床压强的变化特性,底床可以划分成2个区域,即初始冲击区和坠落冲击区,两者的压强分别以初始瞬时冲击压强峰值和第二次压强峰值为代表特征。初始冲击区靠近直墙,二次流引发的涡流在该处起主导作用。底床的初始瞬时冲击压强会随着初始下游水位的上升而减小。坠落冲击区距离直墙较远,其压强变化过程初始为静压过程,当飞溅水体翻卷坠落砸到涌波水体时,底床受到坠落冲击,该区域压强显著抬升。干床涌波初始冲击对直墙和底床上的作用存在差距,这种差距在湿床涌波情况下会显著减小。墙角附近的直墙或底床上干床涌波情况下初始瞬时冲击压强峰值是不确定的,然而峰值压强的上升时间却相对确定。在距离墙角较远的地方,冲击压强峰值变得相对确定,而其上升时间却变得不确定。对于湿床涌波,因为初始下游水位的存在,墙角区域的压强峰值上升时间也变得相对不确定。针对干床涌波初始瞬时冲击的不确定性,本研究还开展了溃坝干床冲击作用的重复性实验,以研究冲击过程中直墙和底床压强的统计特征。在整个涌波冲击过程中,来波初始冲击直墙和下落水体冲击底部来波两个过程都会造成显著的压强抬升,并增大其压强数值的不确定性。本研究对瞬时冲击压强峰值及其上升时间做了统计分析,并用三种概率分布模型对压强峰值做了拟合,给出了相应的参数估计值的变化规律,其中越靠近墙角区域的拟合效果越好。此外,本研究还通过压力波速度及其统计特征描述了冲击过程中压力波沿直墙和底床的传播特征。

关键词：干床涌波湿床涌波冲击压强初始下游水位底床压强

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