冲刷过程论文（共7篇）
冲刷过程论文 篇1
随着社会经济的进步和交通运输产业的迅速发展, 交通道路工程施工不断增多, 给各种道路施工技术也提出了新要求。路基作为道路工程施工的基础内容, 它对施工技术要求十分严格。特别是在特殊环境的边坡施工中, 由于地形、施工条件等因素的限制, 因此必须采用科学施工技术来确保工程施工质量, 且要满足路基边坡的防冲刷施工要求, 避免因为雨水冲刷而产生的路基工程问题与道路安全事故。
1 填方路基施工现状分析
填方路基是当今道路基础工程施工的主要形式, 但是这种道路基础结构在公路长期运行中必然会受到风吹日晒、雨水冲刷的侵蚀, 最终导致路基边坡出现变形、损坏等现象, 严重的话还会给路面整体性、稳定性构成不良影响, 最终影响过往车辆的行驶安全。基于这种情况, 下面我们首先就填方路基的施工技术现状进行分析。
首先, 在当今道路工程路基填筑施工中为了保证填筑面层不会因为雨水侵蚀、风吹日晒等外界因素的影响, 必须要将边坡角度调整在工程设计标准之类, 且按照设计要求设置纵向边坡, 让雨水能够经过边坡两边自行流走, 避免直接冲刷到边坡。
其次, 通常情况下, 土方填筑施工阶段的排水管道施工都包含三个阶段, 也就是尚未施工、正在施工和未曾验收施工三方面。但是不管是哪一个方面, 在施工中都需要对边坡临时排水设施进行研究, 确保整个边坡施工的正常开展。
最后, 由于填方路基施工本身是一个连续、综合和多元化施工过程, 它也存在分层施工的需求, 因此在施工中为了确保工程施工质量往往都是采用一边填筑、一边碾压的施工方式。在碾压工作中所选择的设备通常都是以压路机等基础设备沿着路基边沿开展压实, 这也给路基边坡的压实构成死角, 给质量问题的产生提供了方便。在碾压中必须要层层碾压且层层到边, 不放过任何一个碾压死角, 且在碾压中还要采取一定的临时防护技术。
2 填方路基防冲刷施工技术要点
某道路工程是一个市政工程, 工程总体长度为4300米, 土质填充路基施工长达3000米以上, 边坡最高的部位甚至超过8米, 由于道路两边农田多且该区域又是我国雨水丰富地区, 雨季施工是很难避免。但是在这个时候如果进行施工, 那么必然会导致大量泥沙沉积到两侧的排水沟, 最终让水流进入到农田给农作物造成损害。面对这种情况, 施工单位与当地居民进行商讨, 从工程施工实际出发, 采用了一宗新的施工技术手段, 在经过近一年实践的研究发现这种施工方法很适合工程施工实际, 且取得了良好的社会经济效益。
2.1 施工原则
在本工程的施工中, 为了确保工程施工进度和边坡施工质量, 在施工的时候从安全角度入手, 将各种有可能发生的潜在威胁从根本行入手加以解决, 提前制定出了一套系统、科学的施工计划。同时, 因为工程施工环境处于多雨地带, 因此在具体施工中根据当地实际情况选择了综合、科学的施工策略。
2.2 施工技术要点
经过工程施工实践我们得出, 对传统填方路基施工方法进行改进效果非常明显, 它不仅满足了边坡防冲刷施工目标的要求, 而且是一种成本低廉、操作简单、美观大方且质量可靠的施工方法。在具体的工程施工中, 施工方法如下。
2.2.1 施工准备
在该工程施工准备阶段包含了水文勘查、地质勘查、设计图纸审核、施工现场情况总结、施工技术选择等多个工作内容。
2.2.2 施工工艺流程
具体的工程施工工艺流程如下图所示。
2.3 施工技术要点
首先, 在工程施工中, 为了保证路基填筑质量, 在填筑范围内向两侧各延伸了50厘米, 而保证了填筑碾压宽度和碾压质量, 且每层的填筑厚度不得超过30厘米。其次, 填筑过程中按照设计要求设置纵坡, 泄水槽的位置的选择根据道路纵坡设置:设置原则:平均每30米设一道;沿纵坡由最高点向最低点设置间距逐渐减小, 数量增加;纵坡最低点处 (或填挖交界处) 必须设置, 且槽体宽度不小于普通槽体的2倍。再次, 泄水槽的开挖:人工利用锄头沿边坡均匀向槽轴线两侧刨土, 刨土深度约25cm两侧利用刨土堆积边砍, 高度约20cm, 人工拍实。挖槽过程中, 沿槽横向一深一浅刨土, 深处25cm, 浅处15cm, 目的是在槽内形成横向土坎, 流水时形成泄力坎, 避免水流过急对边沟造成冲蚀。第四, 彩条布或土工膜的铺设:待泄水槽开挖完成后人工略做平整后, 用软尺贴槽量取覆盖宽度和长度, 宽度一般超出两侧边砍30cm, 长度一般超出泄水槽实际长度1米, 根据量得尺寸裁取彩条布或土工膜, 将裁好的彩条布或土工膜覆盖于已修整好的泄水槽内, 使其与槽体紧贴。
3 施工效果
该工艺的使用期间, 边坡防冲刷有效率达到了95%以上, 很大程度上解决了因雨季边坡冲刷导致的一系列问题, 避免了因边坡严重冲蚀而导致的返工修复工作, 也避免了因泥土冲至农田毁坏农作物而导致的纠纷及赔偿, 累积节约成本达20多万元。该工艺以其简单快捷, 外观形象好, 实用效果佳等几大特点, 先后得到了中建五局总公司领导和当地政府主管部门的肯定, 并作为安全文明施工形象和环境保护工作的新亮点进行推广。这一工艺的实施, 很大程度上减少了施工方与当地村民的纠纷, 对于促进与当地村民的和谐共处, 和加快当地基础设施建设有着很大的意义。
结束语
本文介绍的是一种土质路基填筑过程中边坡临时排水防冲刷工艺及其在施工中的应用。其主要特点是操作简单快捷、效率高、效果好、成本低廉。由于上述特点, 该工艺在很大程度上解决了土方施工在雨季施工边坡冲刷严重的问题, 工程实践应用非常成功, 在在全国大多地区尤其是南方多雨地区具有很强的推广意义。
参考文献
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浅谈金属的冲刷腐蚀 篇2
在实际生产中, 许多机械部件或设备如各种阀门、换热器管板、泵等由于暴露在运动流体中而发生损坏, 通过研究发现这种损坏即有机械冲刷作用, 也有腐蚀破坏作用, 在金属腐蚀学中称做冲刷腐蚀。
“冲刷”是由于固体表面与流体、多组元流体, 冲击流体或固体粒子间相互机械作用而造成的原始材料从固体表面的渐增损失;“腐蚀”是用来描述金属与其环境的化学或电化学作用所引起的破坏。所以冲刷腐蚀也定义为:金属表面与腐蚀性流体之间由于高速相对运动而引起的金属损坏现象, 是机械性冲刷和电化学腐蚀交互作用的结果[1,2]。冲刷腐蚀破坏在石油、化工、水利等工业过程中广泛存在, 如船舶上常见的冲击腐蚀、砂侵蚀等, 是一种危害性较大的局部腐蚀, 现已引起人们的高度重视。
2 冲刷与腐蚀运行环境的分类
根据工况的不同, 为了对冲刷腐蚀产生的条件、机理、影响因素等有更清楚的认识, 我们有必要对冲刷与腐蚀的运行环境进行如下分类。
2.1 清洁环境 (无固体、无腐蚀)
在无固体无腐蚀气、液流的环境中, 管壁损失主要是由液滴冲刷引起的, 此类破坏现象一般在与高速运动流态 (气、液流) 接触的结构材料上出现, 如高速涡轮叶片的破损。
2.2 冲刷环境 (固体 (沙) 存在、无腐蚀)
单纯冲刷环境下的磨损机理是进入两相流或多相流的固体沙粒磨去管壁材料。由于流体是无腐蚀的, 所以管壁被磨去的材料是裸金属。实验表明, 管件的冲蚀率与流经管件的沙量成正比, 在沙含量稀少时与沙含量无关。同时管件结构也对冲刷影响较大, 它制约着颗粒撞击速度和角度, 以及颗粒撞击区域的大小[3]。
2.3 腐蚀环境 (无沙, 有腐蚀)
腐蚀环境是指腐蚀性环境下的气/液流, 此时液体中没有固体。在腐蚀性流体条件下, 管壁上覆盖的一层腐蚀产物可阻止腐蚀进一步进行, 而当液流冲刷掉管壁上的腐蚀产物时, 金属基材裸露, 腐蚀就会继续, 同时根据流速的增大腐蚀破坏会加剧。
2.4 冲刷和腐蚀运行环境 (固体和腐蚀介质都存在)
由于冲蚀和腐蚀的联合作用, 这类环境的腐蚀磨损较其他条件下的冲刷类型更复杂。根据冲刷和腐蚀的相关特性, 固体颗粒不是移去金属基材 (延展性材料) 就是移去腐蚀产物 (脆材质) 。如果固体冲蚀率高于腐蚀率, 那么固体颗粒冲击相对无腐蚀产物的表面, 金属基材损失;如果冲蚀率低于腐蚀率, 管壁上可形成腐蚀产物, 固体颗粒将会磨损掉腐蚀产物薄膜[3]。
冲刷腐蚀的影响因素较多, 主要包括材料 (冶金) 、环境、流体力学等三个方面。很多学者通过失重实验以及各种流动条件下的电化学测量技术, 对前两方面因素的影响做了较为深入的探索, 并进而开展了冲刷和腐蚀交互作用的研究。本文下面将综述流体力学因素对固态金属冲刷腐蚀的影响机制。
3 冲刷腐蚀的流体力学影响因素
流体力学因素一般通过改变冲刷强度或传质过程来影响冲刷腐蚀性能。常用参数包括:流速流态、攻角、颗粒性质 (种类、硬度、颗粒浓度、颗粒及分布、颗粒形状、可破碎性、密度以及表面粗糙度) 、流体性质 (粘度、密度) 等[4]。
3.1 流体流速
流体对固态金属的冲刷腐蚀有两种作用:质量传递效应和表面切应力效应。流体的层流、湍流两种流动状态, 以及流体的性质 (如粘度、密度等) 和设备的几何形状 (如凸出物、突然改变流向的截面) 等都会影响流体的流动规律, 而这都与流速有直接关系。Nesic等人[6]将大量的实验数据整理后, 得到平均腐蚀速率和流速的关系为:Vc=B·Vn。其中, Vc和V分别代表平均腐蚀速率 (mm/a) 和流速 (m/s) , B和n为常数。由此可知, 随流速增加, 腐蚀速率呈指数形式增加。由此可知, 腐蚀速率随流速增加呈指数形式增加。同时, 流速增大, 一方面有利于腐蚀性组元的物质和电荷传递, 促进腐蚀;另一方面造成腐蚀产物膜形貌和结构的变化, 增大了产物膜对物质传递和电荷过程的阻碍。
3.2 冲刷角度
液固两相流在水平工作面上的作用力主要有水平和垂直两种分量:水平分量对冲刷面产生切削作用, 垂直分量产生撞击破坏。随着冲刷角度变化, 这两种损伤机制此消彼长, 相互影响。当冲击角度较大时, 冲击可造成冲击坑和微裂纹两种损伤作用[8]。对特定的材料和工作环境一定有攻角 (粒子入射方向与试样的水平冲击面的夹角) 此时切削作用和冲刷撞击共同作用致使材料的冲刷腐蚀失重率达到最大。在实际试验及参考大量实验成果基础上, 我们可针对不同的冲蚀种类规避攻角以减小对金属材料的冲刷腐蚀。
3.3 两相流流体中的固相颗粒因素
悬浮颗粒物对固体金属材料的冲刷行为的影响主要在硬度、粒径大小、锋利性、及浓度等参数。通常情况下颗粒硬度越高, 冲刷破坏越严重;多角粒子的切削作用要比圆形粒子的犁削作用产生更大的力学损伤;粒径越大, 颗粒质量越大, 惯性越大, 继而产生的冲刷速率也越大[5];颗粒浓度越大, 冲刷腐蚀速率的绝对值越大, 但高浓度条件下颗粒间的相互影响所引起的“屏蔽效应”使得其冲蚀效率降低[9]。同时, 两相流流体中颗粒物在通过扩散层时会加剧局部流体内部的搅动并破坏扩散层状态, 影响电极反应的传质过程, 从而促进腐蚀进行。
4 结论
由于冲刷腐蚀包括冲刷和腐蚀两个方面, 所以在两相及多相流中, 冲刷和腐蚀的联合作用机理一直较其他类型的腐蚀更具有研究意义。经过分析我们不难得出以下结论:
(1) 冲刷能加速传质过程, 促进腐蚀产物脱离材料表面, 并能促进氧化物到达材料表加速腐蚀反应。同时, 冲刷在液固/气固相中的力学作用也将产生磨损破坏, 若金属自身未能及时修复 (钝化) 则可能会构成腐蚀原电池进一步加速腐蚀破坏。
(2) 腐蚀能溶解掉材料表面的加工硬化层, 软化材料外层, 降低金属的疲劳强度, 进一步加剧冲刷的破坏效果, 如在材料缺陷等处所出现的局部腐蚀, 会造成微湍流的形成。同时, 腐蚀也会弱化材料的相界面, 如晶界、相界, 使材料中耐磨的硬化相裸露, 也进一步促进了冲刷破坏。
综上可知, 冲刷腐蚀的新的测试方法的研究, 冲刷腐蚀的交互作用中各分量的精确测定, 对于冲刷腐蚀防护措施的开发、减小冲刷腐蚀对化工生产的产生的破坏、社会的进步、国民经济的发展具有重大意义。
参考文献
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不同边坡防护形式防冲刷试验研究 篇3
目前的边坡防护主要是考虑边坡稳定性,对边坡及防护设施的量化抗冲刷能力考虑较少, 水对边坡的冲刷造成的边坡失稳,并没有引起足够的重视。边坡的防护措施大多基于经验类化,进行防护设计时缺乏系统的理论依据[1]。
坡面防护主要分为植物防护和圬工防护。植物防护是在坡面上种植植物或铺草皮,依靠植物根系的固土作用以及茎叶的阻流作用来抵抗冲刷破坏,但这种方法的抗冲刷能力较圬工防护低,在一些土质不佳的地区,仅采用植被防护难以达到很好的抗冲刷效果。公路边坡防护措施主要有浆砌片石、衬砌拱形、水泥混凝土预制块、六角空心块等防护措施[1]。圬工防护的优点是抗冲刷能力强,在土质不佳地区必须使用。但是这种措施的成本高,并且对环境有污染。本次试验旨在通过室内模型试验,研究植被防护措施与圬工防护措施相结合的防护效果,具有重要的理论意义。
1降雨对边坡坡面的破坏与边坡防护形式
坡面冲刷过程包括降雨溅蚀和径流冲刷引起的土颗粒分离、泥沙转移和沉积三大过程。在降雨过程中,当降雨强度超过了土壤表面的下渗能力后,就会在土壤表面产生径流,根据不同的地表形貌,径流发生汇集并逐渐形成水深较深、流速较大的水流。这必然会对土壤形成冲刷,当径流流量、流速达到或超过土壤的抗侵蚀能力后,会对土壤结构造成破坏。根据破坏的程度不同可分为面状侵蚀、细沟侵蚀、浅沟侵蚀和切沟侵蚀[2]。本次试验是在室内进行的,难以考虑降雨击溅对坡面的侵蚀,主要研究边坡在径流冲刷的情况下几种防护措施的防护效果。
坡面的冲刷是一个复杂的过程,冲刷破坏不仅取决于降雨的强度、径流流量的大小、流速等因素,同时也跟土壤本身的土质(土分离的难易程度)、以及气候、地形、植被覆盖等因素有直接关系。在本次室内边坡模拟冲刷试验中,需要考虑的因素主要有防护坡的坡型、坡度与尺寸,径流流量的大小以及防护形式。
边坡防冲刷的防护形式主要分为工程措施方面和植物措施方面。边坡植物防护与工程防护的方法有很多种,这些方法都有各自的作用和特点,适用于不用条件的边坡,综合考虑边坡的防护性能与工程经济性。本次室内试验采用了砌体骨架加植被的综合防护措施。以达到在稳定的边坡上种植适合当地土质的植物的目的。
骨架形式采用预制块方形网格、预制块菱形网格与衬砌拱型骨架三种;草种选择美国兰草与高羊茅两种按1∶1混播种植,为了便于草皮生长,在室外布置两块场地,分别种植纯草皮与加三维网的草皮,待密度达到试验要求后,严格按照相应的施工工序移植到骨架内。
2试验模型及方法
模型试验在空军工程大学机场排水实验室内进行。 模型试验系统包括供水系统、模型试验区及排水系统。供水系统由储水池、水泵房、恒压水塔、流量控制装置以及进水稳流设施组成。由17 kW的水泵连续向水塔供水,水塔有恒压装置,恒压水流经管道流进流量控制装置,然后通过消浪稳定后形成与试验沟槽同宽的稳定水流进入模型试验区。模型试验的试验区总长3.5 m,宽0.9 m,坡面为坡比1∶2的平整坡面,试验区上部为混凝土坡面,作用是增加流速,投影长2.5 m,铺草皮段投影长1 m。模型试验区主要测量不同流量下的边坡断面的水面深度,用来计算边坡内的径流流速。模型照片如图1所示。
试验方法为启动水泵,调节进水阀门,在矩形堰观测进水流量。水流通过稳定水池稳定后,进入试验区,通过混凝土平面坡,使坡面流速基本稳定,然后进入防护试验区。流量从小逐级增大,分2～4级,每级持续冲刷1 h。如果上一级流速未造成防护坡冲刷破坏,加大流速,直至草皮冲刷破坏。草皮的破坏至今没有一个固定的标准,本次试验以坡面土壤出现较大的坑洞或草皮翻起为破坏标准。为了对比不同防护形式的防护效果,本次试验在三种骨架内分别移植纯密草皮与加三维网的密草皮。
试验测试内容主要是测定水头高度以及混凝土边坡上的水流深度,并以此计算出水流流速。矩形堰流量按式(1)、式(2)计算。
式中:Q为流量,L/s;m为流量系数;B为水面宽,m;b为堰口宽,m;H为堰头水深,m;p为上游堰高,m。数据采集前需要对矩形堰进行率定,空军工程大学航空航天工程学院李洪囡等所做的研究得出率定系数为0.922[4]。
为了保证测量到的径流深度比较准确,本次试验在坡面的固定的水平线上设立左、中、右三个固定的观测点,通过取平均值确定径流深度。通过公式(3)得出径流流速
v=Q/hb (3)
式(3)中,v为径流流速,m/s;Q为径流流量,L/s;h为径流深度,m;b为坡面宽度,m。
3试验数据分析
本次试验中,径流流速是通过调节流量来控制的,所以,为了很好地控制径流流速,必须掌握径流流速与流量的关系。在试验系统不变,边坡坡度为1∶2,坡面为平面的条件下,得到的矩形堰的流量与径流流速之间的关系可用图2表示。
从图2中的趋势线我们可以看出,径流的流速随着流量的增大而增大,但单位流量的流速增加量逐步减小,也就是说流速增长的趋势逐渐减小。在已知径流流速与流量的关系的前提下,就能在试验中很好地控制径流流速。
3.1预制块方形网格
方形骨架尺寸为:内边宽35 cm,长45 cm,与上部坡面平行。
采用方形网格骨架,纯密草皮在流速达到1.269 m/s的时候遭到冲坏,如图3所示,加三维网的密草皮在流速达到1.993 m/s的时候遭到破坏,如图4所示,试验结果见表1。
刚启动水泵时,流量很小,坡面水流以薄层漫流的形式冲刷表面,只能冲刷表层一些分散的土颗粒,这是冲刷的第一个阶段——面状侵蚀;少量加大流量后,径流在流动的过程中发生汇集,形成股流,侵蚀力增强,经过一定时间后会在土表面形成细沟,这是冲刷的第二个阶段——细沟侵蚀;当流量进一步加大后,流速变大,径流在土表和细沟内形成更大的侵蚀力,径流的剪切力增强,最后沿着细沟下切导致草皮土壤结构遭到破坏,这一阶段即是冲刷的切沟侵蚀;未加三维网的密草皮在1.269 m/s的流速下持续冲刷1 h后,草皮在细沟处被冲翻起,形成面积较大、深6.5 cm的坑,此时,可以认为草皮被冲坏。由于草皮被冲刷破坏的标准不好掌握,为了便于比较不同防护形式的抗冲刷能力,此次试验即以观测法观测草皮出现较大的坑或草皮翻起为破坏标准。
加三维网的草皮在1.533 m/s的流速下持续冲刷1 h后,出现了面积较小的坑,但草未被冲走,草根仍与三维网交织在一起,仍能起到阻挡径流的作用。加大流量,在1.993 m/s的流速下持续冲刷1小时后,草皮的破坏情况较上一级相比,坑的面积增加量不是很大。对此,我们可以看出,由于三维网的存在,在草较稀的部位尽管土壤流失较严重,但面积较小,且草不易被冲走,这就使得草皮的减小径流速度的能力得以保持,有效保护了下方的草皮;并且有效阻止了径流沿着细沟下切致使草皮发生大面积掏空甚至连根翻起的现象。
3.2预制块菱形网格
菱形骨架尺寸为:内边长35 cm,宽10 cm,顶角45°,与上部坡面平行。
采用菱形网格骨架,纯密草皮在流速达到1.388 m/s的时候遭到冲坏,如图5所示,加三维网的密草皮在流速达到2.095 m/s的时候遭到破坏,如图6所示,防护效果略好于方形骨架,试验结果见表2。
通过观察我们发现,由于方形与菱形骨架是与混凝土坡面平行的,两者对水流的引流流向都是与上部平行,这样就避免了水流直接对草皮形成下切的力。试验结果表明菱形骨架对水流的分流作用略好于方形骨架,两种骨架形式对边坡防护所起的作用相近。
3.3衬砌拱形骨架
拱形骨架的尺寸为:拱圈半径15 cm,宽3 cm,高出混凝土表面3 cm,两拱间间距为10 cm,试验数据见表3。
采用拱形骨架,各经过三个级别的冲刷后,两种草皮都未被冲坏。径流在第一级的流量下刚好能够越过拱顶进入草皮区,这时的径流由于受到拱顶的阻碍,流量、流速较小,只对离拱顶较近表层土有少量的侵蚀;加大流量到第二级时,径流流量、流速加大,冲击拱顶后跃起,对拱的中间部分产生击溅,经过一小时的冲刷,未加三维网的密草皮被击溅部分形成最大约0.9 cm深的坑,草皮整体侵蚀很少,如图7所示;三维网的密草皮被击溅部分只形成最大约0.8 cm深的坑,草皮整体侵蚀很少,如图8所示;当流量加大到第三级时,径流冲击拱顶后完全越过了下方的草皮区,不会对草皮产生破坏。
通过实验现象可以看出,大部分的水流由于拱顶的存在都从衬砌拱的两侧排出,水流的能量也在撞击后大大减小,进入到草皮区的水流的侵蚀力也很有限。两种草皮在试验中都能有效抵抗住径流的侵蚀,拱形砌体不仅保证了边坡稳定,而且在对径流的分流、消能方面起到了很好的作用。
4结论
通过室内模拟冲刷试验,对三种不同形式的生态防护措施的抗冲刷能力进行了研究,结果表明:
(1)径流从坡面进入草皮后,流速明显下降,说明植物在边坡防护中能够起到阻缓径流的作用,植物的根系还能增强土的抗剪能力等作用。
(2)三维网具有固土性能优良、消能作用明显、网络加筋突出等作用,本次试验通过使用三维网加植草的措施,抗冲刷流速达到了2 m/s左右。
(3)工程防护措施在边坡防护中所起到的防护作用大于植物防护措施,虽然植被防护措施具有很好的经济性与美观性,但在土质不佳的地区,仅使用植被防护措施可能会达不到边坡稳定的要求,所以必须采取两者相结合的综合防护措施。在工程防护措施方面,对比方形网格、菱形网格、衬砌拱形三种防护形式,发现衬砌拱形的防护效果最佳。
摘要：通过室内模型试验,研究了三种不同工程防护措施结合两种不同植被防护措施的边坡的防护效果。试验证明三维网能有效提高草皮的抗冲刷能力。衬砌拱形骨架的防护能力好于方格网骨架和菱形骨架。在对边坡采取防护措施时,结合工程防护措施与植被防护措施能够使在稳定的边坡上种植适合当地土质的植被,从而取得良好的防护效果。
关键词：坡面防护,三维网,植被,圬工,室内试验
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试论山区公路小桥涵冲刷机理 篇4
在山区公路小桥涵损毁现象当中, 自由式出流出口水毁是较常见的一种, 为了获得较准确的抗水灾依据, 本文作了针对性的实验, 来研究其冲刷机理。
2 试验条件
此次实验在某试验直线水槽进行的, 水槽长度是17m, 宽度是1m, 底坡坡度是0.6%, 试验段距水槽进口9~11m。概化模型比尺1:10, 小桥涵长度1.1m, 孔径是0.4m。进出口形式分别是端墙、八字翼墙, 出口铺砌长度分别是0.28m、0.42m、0.93m。试验流量设计时考虑水槽最大可容水深及冲刷坑可能的最大冲刷深度, 以水槽均匀流水深度为15cm对应的泥沙临界起动流速如下:
Vc= (h/d) 0.14[29d+6.05×10-7 (10+h) /d0.72]0.5
式中:Vc代表泥沙临界起动流速 (m/s) ;h代表水深 (cm) ;d代表泥沙粒径 (mm) 。
基准流量:Qc=Bh Vc=0.047m3/s
式中:B代表水槽宽度 (m) 。试验控制流量为:Q1=0.95Qc=0.045m3/s;Q2=1.2Qc=0.057m3/s。
本次实验用砂均质粒径 (d) 是0.75mm。动态冲刷过程采用界面仪跟踪测定, 在冲刷停止、供水彻干后, 用测针测定地形及最大冲刷深度[1]。
3 实验结果的相关分析
3.1 端墙进出口铺砌长度影响分析
山区公路小桥涵常用形式为端墙进、出口。所以本次实验中研究了端墙进、出口铺砌长度这一重要影响因素。整个冲刷过程为180min, 对于冲刷深度, 每15min检测一次。小桥涵端墙进、出口如图1所示, 八字翼墙进、出口如图2所示。
3.2 冲刷深度随时间的变化
具体的冲刷深度数据如表1所示。
表1中, b大于零, 则说明初始河床急剧冲刷, b小于零, 则说明初始河床急剧淤积;开始的10min时, 冲刷坑处在水槽急剧调整的平稳水流冲刷阶段。10~100min时, 冲刷坑处在稳定冲刷阶段;时间在100min以后处在平衡缓慢冲刷阶段, 到了180min后冲刷停止。可见, 前面的冲刷阶段是冲刷深度主要形成时期, 并且, 冲刷深度随时间的变化幅度大, 当冲刷继续, 冲刷速率慢慢变小, 大概在100min时冲刷深度约为平衡深度的70~80%。同等流量的情况下;铺砌长度长, 则平衡冲刷深度相对较深。反之, 则结果相反。
3.3 垂裙处冲刷深度变化情况
铺砌的可靠性与垂裙处冲刷深度密切相关, 由于冲刷坑在垂裙处存在漩流回淤的几率, 所以, 当冲刷完毕时, 在离垂裙10cm的地方, 选择冲刷最大断面来进行垂裙处的冲刷深度的检测。垂裙处横向冲深分布的检测, 检测点间隔距离在10cm左右, 并且测点设置考虑到地形的特征变化。所获得的冲刷深度特征数据如表2所示。
表2中的数据表明, 铺砌长度愈长, 垂裙冲刷深度变差系数愈小;垂裙处冲刷深度最大值和平均值之间差距不大, 说明横断面冲刷深度较均匀;若出口铺砌长度较短, 则横断面冲刷深度不均匀, 呈一边深、另一边浅的现象, 这说明水流偏斜程度较大, 存在不稳定股流集中冲刷[2]。
3.4 中轴线冲刷坑剖面冲刷深度沿程变化
相关变化数据如表3~5所示。
将垂裙处作为冲刷起点, 3h后, 沿水槽轴线向下游检测冲刷深度, 表3~5中的数据表明:Q1=0.045m3/s, 铺砌长度为0.28m时冲坑浅且长;铺砌长度为0.42m时冲坑深且短。Q2=0.057m3/s, 由于流量的增加, 小桥涵后最大的流速位置变化不明显。在不同铺砌长度下的冲坑形态变化不明显;相同铺砌长度, 如铺砌长度为28cm, Q1增大为Q2时, 其后的最大冲刷深度明显增加, 最大冲刷深度距离垂裙距离明显变短;在较小流量时, 铺砌长度0.28m较0.42m的冲刷浅, 能够降低对小桥涵的危害性。在一定的铺砌长度实验范围内:当流量较大时, 铺砌越长, 对小桥涵防护后冲刷坑冲深有减小的可能;当流量较小时, 铺砌越短, 则小桥涵防护效果愈佳[3]。
4 结束语
山区公路小桥涵作为重要的排水设施之一, 占地较小, 结构紧凑, 稳定性相对较强。但是因为端墙进、出口水流变化幅度很大, 造成了普遍的铺砌水毁。所以, 在设计施工时, 必须注意铺砌的效果, 增加厚度, 必须注意垂裙的埋设, 把握好安全深度, 尤其是出流后的河堤, 应当适当增加高度。要有效防止小桥涵的水毁, 就必须防患于未然, 做好全面可靠的预防工作。
参考文献
[1]梅利峰.山区公路小桥涵设计[J].交通世界 (建养·机械) , 2007 (12) :05~06.
[2]于波.山区高速公路小桥涵布设及一些新方法的研究[J].黑龙江交通科技, 2009 (02) :15~16.
冲刷过程论文 篇5
在试验区修建长4m, 宽1m的试验小区, 集水口处接10cm PVC管, 试验小区上部修建稳流槽, 保证坡面径流均匀稳定, 接近于自然状态。
试验所建径流小区为自然坡面条件下不同坡度小区, 坡度类型分为五种, 分别为10°、15°、20°、25°、30°共5个自然植被小区。试验坡面植被覆盖度为80%, 冲刷流量设计为9L/min, 每组试验冲刷时间为40min。
二、试验数据分析
根据试验收集数据, 得出不同坡度条件下小区坡面产流总量及产沙总量见表1;坡面产流总量随坡度动态变化图见图1;坡面产沙总量随坡度动态变化见图2。
三、试验结果
根据试验结果分析, 不同坡度条件下, 坡面产流量、产沙量增减效益分析见表2。表中数据以30°坡面产流量及产沙量为基准, 计算其余各坡面减流减沙效益。
根据试验结果分析可知, 不同坡度 (10°、15°、20°、25°、30°) 条件下进行的坡面径流冲刷试验, 随着坡度的增加, 产流量和产沙量都随之增加, 并且坡度越大, 产流量与产沙量增加的越快。
从表2数据中可以看出, 随着坡度减小, 坡面减沙减流效益显著, 当坡度减小到20°或以下时, 可以有效减沙50%以上, 坡度减小到15°, 减沙效益达到90%以上, 因此有效减缓陡坡, 营造山区梯田、鱼鳞坑及水平阶地可以有效减少水土流失, 达到环境治理的最终目标。
摘要：作者通过对榆林风沙区室外坡面径流冲刷的试验, 对不同坡度的试验径流小区进行研究, 结果表明, 在冲刷流量一定的情况下, 坡度越大, 坡面产流量越大。针对出现的问题作者提出对试验区陡坡进行整治, 适当修建水平阶和梯田可有效减少水土流失的产生。
冲刷过程论文 篇6
关键词：非恒定流,丁坝冲刷模型,数值模拟
1研究背景与研究意义
近年来,国内外学者针对明渠非恒定流特性和航道整治丁坝水毁问题分别取得不少研究成果:Nuzu[1](2006)针对不同水深的明渠非恒定流的紊动结构进行了数值模拟分析;季荣耀[2](2007)基于贴体正交曲线坐标系统二维水沙数学模型,对水电枢纽下泄非恒定流作用下的河床演变与航道整治进行了研究;王志力[[3](2008)建立了向家坝电站天泸州泸县水文局约145km河段的一维非恒定流数学模型;陈飞[4](2012)运用非恒定流数学模型黄河内蒙河段干支流交汇段水沙运动的特征进行了研究;最近国内在非恒定流丁坝概化模拟方面也取得了一定突破和进展,例如喻涛[5](2013)采用水槽概化模型试验和理论分析等手段,模拟研究了非恒定流洪水过程中丁坝水流结构、紊动特性、受力分布、坝体及其周围河床冲刷的变化规律,但在非恒定流丁坝数值模拟方面的先例还未出现,用数值模拟方法研究丁坝的非恒定流冲刷问题仍待探索。
论文以长江上游航道整治建筑物和天然河流洪水过程概化物理模型试验为基础,对水槽丁坝概化模型的非恒定流冲刷特性进行数值模拟计算研究,旨在探索非恒定流条件下丁坝附近水流结构和坝体稳定性关系的平面二维数值模拟研究方法,实现非恒定流作用下丁坝水力冲刷过程的数值仿真。
2控制方程和数值模拟方法
控制方程
水流模型运用二维浅水方程(1)、(2)、(3),其中上划线表示沿垂线的平均值:
网格剖分
鉴于研究模型中丁坝边界的复杂性,论文采用非结构网格方法。在网格剖分前,利用CAD软件生成几何模型,然后再导入到SMS软件中,划分的二维非结构网格使用三角形控制体积,计算节点为三角形质心。基于MIKE软件二次开发的方法,将SMS软件生成的网格文件转化为MIKE软件的适用格式就可以进行模型搭建和计算。
根据模型特点以丁坝为中心依次向外设定了三级精度:丁坝范围内网格精度为0.04m,丁坝周围往上游1m往下游2m范围内网格精度为0.125m,最外围网格精度为0.4m。共有1886个节点,3534个单元格,4个边界。如图所示:
非恒定流条件下丁坝水沙数学模型验证与计算
计算工况设计
结合长江上游山区航道整治建筑物特点,设计典型工况,见表:
水动力模型搭建
结合水槽概化模型试验,用设计好的边界条件建立模型。初期采用缺省参数,不考虑边界处密度变化所产生的影响,初始水位高度与丁坝坝顶齐平。在水动力(HD)模块中进行设置,模拟时间12792s,步长1s,进口边界条件为10年一遇非恒定流洪水过程(Q35T30),如图:
3验证与率定
模型糙率的率定
模型率定采用依托项目的物理模型试验资料进行,采用恒定流验证资料进行。时间步长为10s,模拟时间共计4小时,选取135L/s、95L/s和65L/s三级流量条件。模拟的定床模型特征为:整体为规则的矩形断面明渠水槽,底部为平面,河床和丁坝均用水泥固化,除丁坝外没有任何地形起伏变化,即丁坝处水流阻力应为最大,其他地方水流阻力则相似或一致。所以应对丁坝和河床两处分别率定糙率值,经过反复调整糙率,最终确定河床糙率值n=0.0091~0.0105,丁坝糙率值n=0.0833。
非恒定水流模型验证
(1)水位验证
非恒定流丁坝附近水位测点布置如图0-1所示,有7个纵断面,6个横断面即图中1#、2#、4#、5#、6#和7#断面,总计42个水位验证点。为阐述方便,在此将该6个横断面从左向右重新命名为1#、2#、3#、4#、5#、6#。
随机选取2-2#测点绘制水位时域图如图:
计算水位变化曲线与实测水位变化曲线基本吻合,非恒定流条件下定床丁坝模型的水位验证成功。断面平均水位验证结果以3#为例,如图:
(2)流速验证
非恒定流过程的流速因其流场随时间、空间变化的复杂特性不易被验证,只能对特定水位对应时刻的流速进行验证,验证结果与实测数据基本符合,以2#横断面流速验证图为例:
非恒定流条件下丁坝周围水流特性
非恒定来流丁坝水流运动规律
丁坝前后流场与水位呈现一定的对应关系,丁坝上游(主要指坝前和坝头附近)流速小的地方水位高,流速越大水位越低,沿丁坝轴线方向水面出现横比降,流速也相应出现逐渐增大的现象;而丁坝下游(主要指坝后和主流区)流速大的地方水位高,流速越小水位越低,回流区水位最低,最低点在回流的漩涡中心,这是在非恒定流作用下坝后流场与水位呈现的特殊关系,根据水位等值线图可进一步判定丁坝流场的分布情况。
同一时刻不同工况对比分析
计算表明在同一频率的洪水过程中,丁坝周围水流特性不但随进口流量的变化而变化,而且随流量涨水落水的状态变化而变化。本节主要分析丁坝水流随进口流量的变化特性。
不同坝身断面工况对比
选取工况F1、F2模拟结果进行对比分析,如图所示。
两种工况模拟计算的坝后回流中心相对丁坝的位置距离为F2<F1。同等流量下,水位F1>F2,丁坝坝身范围内流速F1>F2,丁坝附近右岸流速F1<F2,这是由于F2丁坝坝身形状的影响,使得在丁坝范围内F2比F1水位和流速变化的更缓慢,对应主流区F2就有更大的流速,非淹没丁坝情况下对主槽的冲刷作用就更强烈。说明坝前地形对非恒定流的水位、流速改变至关重要。
不同挑角工况对比
选取工况F1、F3模拟结果进行对比分析,如图所示:
坝前、坝后水位F1>F3,坝前后水位差F1>F3;流速F1<F3,坝后流速分布F1为规则的矩形分布,方向与坝身垂直,F3则不同,在靠近坝根一侧流速较大方向偏向左岸,靠近坝头一侧的方向偏右岸。与正挑丁坝想比,下挑丁坝的坝顶流速明显增大,方向改变,说明淹没工况下丁坝挑角对丁坝自身流速场分布影响较大。
结论
1)以特定文件为接口使SMS与MIKE相结合的模拟方法可行有效,比传统的MIKE模拟方法可以更好模拟出水槽丁坝地形及其水沙运动特性。
2)与恒定流条件相比,非恒定流条件下的丁坝水流运动有其特殊规律。
3)坝体形状直接影响丁坝周围水流特性,进行丁坝非恒定流计算模拟时,应具体考虑到坝身断面形态,使研究结果更加现实可靠。
参考文献
[1]Iehisa Nuzu And MIchio Sanjou.Numerical calculation of turbulence structure in depth-varying unsteady open-channel flows[J].Journal of Hydraulic Engineering,ASCE,2006(7):681-695.
[2]季荣耀,陆永军,左利钦.水电枢纽下泄非恒定流作用下的航道整治研究[J].水利学报,2007(S1):318-323.
[3]王志力,陆永军.向家坝水利枢纽下泄非恒定流的数值模拟[J].水利水电科技进展,2008(03):12-15.
[4]陈飞.黄河内蒙河段支流入汇对干流影响的数值模拟研究[D]:[硕士论文].华北水利水电学院,2012
冲刷过程论文 篇7
1 冲刷防护措施的类型
油气管道冲刷防护工程,按其设防的位置可分为岸坡防护(简称护岸)和河沟床下切冲刷防护(简称护底)。按其对水流性质的扰动与否,又有间接防护措施与直接防护措施之分[2]。具体措施分类见表1。
护岸的目的是保证岸坡免受水流的冲刷侵蚀而后退。护底的作用在于防止河沟麻因遭受水流的下切冲刷作用而使得管线暴露情况出现。
直接防护是对所设防的地段直接加固,以抵抗水流的冲刷和淘蚀作用。直接防护的特点是尽量不干扰或少干扰原水流的性质,因而对防护地段上下游及其对岸的影响轻微。但由于这类工程直接建筑在受冲的河岸或河床上,一旦遭受破坏,管线会立即受到威胁,故其性质是被动的。
间接防护是用导流或阻流的方法来改变水流的性质,或者迫使主流流向偏离被防护的地段,或者降低被防护地段的流速,或者抬高河床面.以问接地防护河岸或河床。其特点是这类防护建筑物都要或多或步地侵占一部分河床断面.因而不同程度地压缩和紊乱了原来的水流,其挡冲部分所受的冲刷和淘蚀作用特别强烈。当问接防护建筑物部分被冲毁时,一般不会立即对管线构成危害,可“通过及时修复加以改善。所有这娄防护方法的性质是比较主动的。
2 冲刷防护设防原则
冲刷防护的设防应当本着如下三个原则来进行。
2.1 一般地段以直接防护为主,重点地段直接防护与间接防护相结合
由于水流的冲刷作用一般存在多变性和难以预见性,因此在可能威胁到长输管道安全的冲刷防护中,一般均会采用直接防护的措施。如河流穿越段的护岸、护底,顺沟岸敷设段的护岸以技顺河沟底敷设段的护底等。直接防护措施由于直接影响到管线的安全建设和运营,而且对河淘道的水流特性改变很少,因此几乎在所有地段均被大规模采用。
对于特殊的重点地段,单纯的直接防护措施已不能完全满足保证管线安全的要求,或直接防护措施本身就处于不稳定状态,此时需增设间接防护措施与之结合使用,效果会更好。例如,当管线穿越河沟道时如果埋深较浅或露管,就需采用谷坊或多级淤土坝抬高河沟床,以保证管线的正常埋深。但由于间接防护措施对河流态势造成一定的影响,因此采用时应征得当地水利部门同意。
2.2 护岸与护底措施并举
在长输管道的冲刷防护中,往往重视岸坡的防护,轻视河沟床的冲刷下切防护。特别对于季节性的河流或干沟,经常未采取有效的护底措施,在洪水期容易使得管线受到很大的威胁,管线暴露甚至悬空的例子在一些管道的运营过程中已经发生。
就目前而言,计算河流冲刷深度多以经验公式为主,由于河床演变的不确定性,因此计算结果并不完全准确、可信,参数的选择上也往往存在诸多人为的不确定因素。而对于季节性的小型河沟道,则根本无法进行冲刷深度的计算,加之多年无水或常年水量较小,因此被有些人认为无冲刷下切作用。然而,季节性河沟道的洪水期的冲刷作用往往表现得较为剧烈,一旦发生较大的洪水,由于没有采取任何设防措施,往往对管线造成的危害较大。
因此,护岸、护底措施并举是冲刷防护的一个重要原则。
2.3 以刚性结构为主,因地制宜选择柔性结构
刚性结构是指整体性好、透水性差的一些结构形式,如浆砌石、混凝土等结构。自于大部分护岸或护底的作用在于防止水流的冲刷,相比较而言水密性好的刚性结构能更有效地抵挡水流的冲刷作用,因此被大量采用。柔性结构是指干砌石和石笼等无胶结材料的散体材料结构。有时受施工条件限制(如带水作业),小得已要采取一些能够带水作业的柔性防护措施,如石笼护岸、抛石护岸等结构。此外,对挑流坝而言,如采用刚性结构则其结构稳定性会受到一定的威胁,因此也常采用石笼挑流坝的形式进行设防。
总之,长输管道冲刷防护应依据实际防护的需要,在保证管线安全的前提下,依据河流特性、河道的地质、地形和水文条件来确定。
3 管道典型冲刷防护措施
3.1 大型河流穿越护岸工程
油气化工管道工程穿越大型河流时,可采取浆砌石挡土墙与岸坡浆砌石护坡相结合的方法。在河岸最下方,设第一道浆砌石挡土墙,岸肩处,设第二个挡土墙,两挡土墙间岸坡用素土夯实,上面铺设土工布,覆碎石层,再用浆砌石护砌。为减少径流对岸坡的冲刷,在岸肩设排水沟,通过两侧导流沟排入河道。排水沟、导流沟全部浆砌石护砌。
3.2 小河平跨护岸
小河平跨护岸根据河岸情况,墙体可以是直立的,也可以是倾斜的(倾角根据原河岸情况确定)。基础深度一般不少于1.0 m,护岸墙的宽度根据开挖宽度和松动宽度确定,其高度与原河岸齐平。护岸墙与管道交叉时,要在套管外围包裹橡胶板,橡胶板外包水泥砂浆。施工时,如河内有水,应做导流围堰。护岸墙见图2。
3.3 油气化工管道穿越小河、沟、渠护岸工程
当管道穿越河道包括垂直穿越和倾斜穿越两种情况,其保护工程主要包括河床护底工程、挡土墙护岸工程和管道保护工程三部分(图3)。
3.4 管道顺河布设时保护措施
管道顺河(顺水流方向)布设时,埋深必须达到设计要求,根据河流在该段的淤积冲刷情况,选择以下两种保护方案,即a型和b型,见图4。
3.5 小型河道固床工程
输油管道不管是穿越还是顺河布设,管道都要从河床底部进行开挖,这样会对管道的安全运行造成重要影响。为了减少
河床的破坏,保护管道,需对河床作固床工程。
河道固床工程主要是在河床底部修筑固床坝,其下部达到设计冲刷线,固床坝间距根据水流流量和床底沙粒粒径决定。
4 结 语
分析了油气化工管道冲刷防护措施的类型,研究论证了冲刷防护的设防原则,针对不同冲刷防护背景,提出了有效的防护措施。论文所做的工作为油气化工管道水流冲刷侵蚀防护技术的设计研究提供了参考。
参考文献
[1]赵忠刚.长输管道地质灾害的类型、防控措施和预测方法[J].石油工程建设,2006(1):7-12.