急流淘刷作用下雷諾護(hù)墊受力變形特性與
2019年06月09日 23:13         所屬學(xué)院： []          點(diǎn)擊：


湖南省大學(xué)生研究性學(xué)習(xí)和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃

項(xiàng)  目  結(jié)  題  報(bào)  告

 

項(xiàng)目名稱：

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        破壞模式試驗(yàn)研究                          

項(xiàng)目編號(hào)：          201410536005                                   

學(xué)生姓名：   邱朝嶺、楊濤、 余韜、譚亮、彌玉龍                                       

所在學(xué)校和院系：長沙理工大學(xué)水利工程學(xué)院                    

項(xiàng)目實(shí)施時(shí)間：     2014.6-2015.6                       

指導(dǎo)教師:       秦衛(wèi)星副教授、周一平講師                           

聯(lián)系電話:           13787096216                           

填表日期：           2015-06-08                           

 

 

 

 

 

 

 

   湖 南 省 教 育 廳

   2015年制

 

 

湖南省大學(xué)生研究性學(xué)習(xí)與創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目計(jì)劃

結(jié)題須知

 

    一、凡經(jīng)立項(xiàng)的項(xiàng)目都必須結(jié)題。項(xiàng)目研究工作完成后，項(xiàng)目負(fù)責(zé)人須從網(wǎng)上下載并填寫《湖南省大學(xué)生研究性學(xué)習(xí)和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃項(xiàng)目結(jié)題報(bào)告》，經(jīng)所在單位簽署意見后，報(bào)教務(wù)處實(shí)驗(yàn)室建設(shè)與管理科。

二、申請結(jié)題時(shí)，項(xiàng)目負(fù)責(zé)人須提供以下材料：

    1、《湖南省大學(xué)生研究性學(xué)習(xí)和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃項(xiàng)目結(jié)題報(bào)告》一式三份及電子文檔；

    2、項(xiàng)目研究成果主件（含項(xiàng)目研究報(bào)告、論文、專著、軟件、其他等）；

    3、必要的附件（驗(yàn)證項(xiàng)目成果及成果推廣效果、效益的資料）；

4、項(xiàng)目申請書、開題報(bào)告、中期報(bào)告復(fù)印件；

5、以上2～4項(xiàng)以支撐材料的形式裝訂成冊，一式三份；

6、本結(jié)題報(bào)告書適用于湖南省立項(xiàng)項(xiàng)目。

      

 

 

 

 

 

 

 

一、基本情況

項(xiàng)目名稱

急流淘刷作用下雷諾護(hù)墊受力變形特性與破壞模式試驗(yàn)研究

立項(xiàng)時(shí)間

2014.6

完成時(shí)間

2015.6

項(xiàng)

目

主

要

研

究

人

員

序號(hào)

姓  名

學(xué)號(hào)

專業(yè)班級(jí)

所在院（系）

項(xiàng)目中的

分   工

1

邱朝嶺

201119040329

水電1101班

水利工程學(xué)院

試驗(yàn)研究

2

楊  濤

201119040319

水電1101班

水利工程學(xué)院

試驗(yàn)研究

3

余  韜

201119040323

水電1103班

水利工程學(xué)院

成果整理

4

譚  亮

201354080317

13水電卓越班

水利工程學(xué)院

資料收集

5

彌玉龍

201369030105

13水電卓越班

水利工程學(xué)院

資料收集

二、研究成果簡介

項(xiàng)目研究的目的、意義；研究成果的主要內(nèi)容、重要觀點(diǎn)或?qū)Σ呓ㄗh；成果的創(chuàng)新特色、實(shí)踐意義和社會(huì)影響；研究成果和研究方法的特色。限定在2000字以內(nèi)。

1. 項(xiàng)目研究的目的、意義

目前全國大量山區(qū)河岸與坡腳因高速水流持續(xù)淘刷破壞嚴(yán)重，雷諾護(hù)墊是一種剛、柔相濟(jì)的護(hù)砌結(jié)構(gòu)，不僅能夠滿足工程安全穩(wěn)定的要求，同時(shí)還能兼顧環(huán)境保護(hù)與生態(tài)的修復(fù)功能。但目前對(duì)急流淘刷作用下該結(jié)構(gòu)的受力變形特性和破壞模式尚不清楚，影響了其在我國山區(qū)河道護(hù)岸工程的應(yīng)用推廣。

因此，在現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上，采用理論研究、數(shù)值模擬及現(xiàn)場踏勘等手段，分析不同流速、不同水位下山區(qū)河流河岸沖刷機(jī)理與破壞形態(tài)，對(duì)比不同急流條件下不同類型雷諾護(hù)坡、護(hù)腳在不同鋪設(shè)方式下的抗沖刷效果，進(jìn)而優(yōu)化生態(tài)護(hù)墊結(jié)構(gòu)參數(shù)和施工參數(shù)，對(duì)在我國山區(qū)河道治理中推廣該生態(tài)護(hù)砌結(jié)構(gòu)有重大現(xiàn)實(shí)意義。

 

2. 研究成果的主要內(nèi)容、重要觀點(diǎn)或?qū)Σ呓ㄗh

（1）基于理論分析和數(shù)值模擬，試驗(yàn)根據(jù)不同流流速（4.0m/s、4.5m/s），不同水深（1.5m、2.0m）設(shè)計(jì)了三種工況，對(duì)天然河道沖刷模擬進(jìn)行系統(tǒng)研究。通過數(shù)據(jù)收集、處理得到圖1，分析得出以下結(jié)論：

①急流條件下，水流流速相同（4.5m/s）時(shí)改變水深（1.5m   2.0m）比水深相同（1.5m）時(shí)改變水流流速（4.0m/s   4.5m/s）對(duì)河岸淘刷破壞更嚴(yán)重；

②岸坡破壞點(diǎn)的情況與水深有關(guān)系，在河岸高程5.0m處破壞最為嚴(yán)重；

③水流流速變化（4.0m/s   4.5m/s），水深變化（1.5m   2.0m）破壞最為嚴(yán)重，體現(xiàn)出水流流速越大水深越深，破壞越嚴(yán)重的規(guī)律。

 

圖1  不同沖刷情況下河岸高程變化

（2）基于數(shù)值模擬，對(duì)采用雷諾護(hù)墊護(hù)岸后的河道，在急流條件下相同水深（1.5m）、相同流速(4.0m/s)時(shí)；改變雷諾護(hù)墊厚度和改變雷諾護(hù)墊阻力系數(shù)時(shí)的抗沖效果進(jìn)行系統(tǒng)研究；通過數(shù)據(jù)收集、處理得到圖2和圖3，分析得出如下結(jié)論：

①水深為1.5m、水流流速為4.0m/s時(shí)，應(yīng)該選用厚度為0.30m厚的雷諾護(hù)墊護(hù)岸（見圖2）；

②改變雷諾護(hù)墊填充材料參數(shù)而改變阻力系數(shù)對(duì)河岸的抗沖效果影響并不大（見圖3）。

圖2  不同厚度的雷諾護(hù)墊護(hù)岸防沖效果對(duì)比圖

圖3  不同阻力系數(shù)雷諾護(hù)坡防沖效果對(duì)比圖

（3）基于數(shù)值模擬，模擬格賓護(hù)腳后河道坡腳的淘刷情況，對(duì)不同鋪設(shè)方式、不同格賓尺寸、不同填充材料粒徑等情況下的雷諾格賓進(jìn)行抗沖效果分析；得出如下結(jié)論：

①格賓護(hù)腳為平鋪式時(shí)對(duì)河道坡腳的保護(hù)效果最好，而且相比其他兩種鋪設(shè)方式自身所受到的淘刷破壞也是最少的（見圖4）；

②格賓尺寸為6m×10×1.0m時(shí)，泥沙的最大沖刷范圍最小，且相比其它達(dá)到相同效果不同尺寸（8m×10×1.0m）的格賓更加經(jīng)濟(jì)；

③粒徑為0.2m時(shí)對(duì)應(yīng)的格賓結(jié)構(gòu)，其護(hù)腳效果最好，而格賓阻力系數(shù)的變化對(duì)河岸沖刷影響較小。

 

 

圖4  不同鋪設(shè)方式格賓岸坡沖刷情況

（4）通過對(duì)怡馬溪覃家村河段進(jìn)行現(xiàn)場踏勘，在該河段的流域治理過程中，覃家村所在河段采用的雷諾護(hù)墊的護(hù)坡整體效果好，經(jīng)受了多次洪水考驗(yàn)，既能滿足兩岸護(hù)坡的技術(shù)要求，又大幅縮短工期，降低了施工成本，表明該護(hù)坡技術(shù)具有廣闊應(yīng)用前景。

3. 成果的創(chuàng)新特色、實(shí)踐意義和社會(huì)影響

本項(xiàng)目結(jié)合產(chǎn)品生產(chǎn)公司所提供的資料和現(xiàn)場調(diào)研情況，采用多種研究手段，對(duì)不同流速、不同水位情況下天然河道進(jìn)行沖刷模擬，以及采用不同鋪設(shè)方式、不同尺寸、不同填充材料粒徑的雷諾護(hù)墊進(jìn)行護(hù)岸、格賓進(jìn)行護(hù)腳后的河道進(jìn)行了較系統(tǒng)的沖刷模擬研究；揭示了不同水流條件下山區(qū)河道用雷諾護(hù)墊護(hù)岸前后、格賓護(hù)腳前后，岸坡、坡腳被急流淘刷破壞的情況和雷諾、格賓的響應(yīng)規(guī)律，進(jìn)而優(yōu)化了雷諾、格賓的結(jié)構(gòu)型式。為在流域治理中更好地使用生態(tài)結(jié)構(gòu)雷諾、格賓提供了理論基礎(chǔ)。

4. 研究成果和研究方法的特色

結(jié)合理論分析、數(shù)值模擬及現(xiàn)場踏勘等多種手段對(duì)不同水流條件下格賓、雷諾生態(tài)護(hù)坡護(hù)腳結(jié)構(gòu)的抗沖效果進(jìn)行了較系統(tǒng)全面研究，為在不同水流條件下選用合適的生態(tài)護(hù)坡結(jié)構(gòu)提供了參考。聯(lián)合多種研究方法開展研究是本項(xiàng)目研究方法的一大特色。

三、項(xiàng)目研究總結(jié)報(bào)告

預(yù)定計(jì)劃執(zhí)行情況，項(xiàng)目研究和實(shí)踐情況，研究工作中取得的主要成績和收獲，研究工作有哪些不足，有哪些問題尚需深入研究，研究工作中的困難、問題和建議。（字?jǐn)?shù)不限，可加頁面）

1. 預(yù)定計(jì)劃執(zhí)行情況

按時(shí)按量地完成了工作任務(wù)，具體如下：

（1）2014年6月：了解山區(qū)河岸特性研究現(xiàn)狀與雷諾護(hù)墊技術(shù)國內(nèi)外設(shè)計(jì)依據(jù)、施工工藝以及工程應(yīng)用情況，并進(jìn)行資料整理分析，制定研究工作計(jì)劃。

（2）2014年7-8月：根據(jù)研究內(nèi)容擬定技術(shù)路線。

（3）2014年9-10月：實(shí)地調(diào)研，理論分析，學(xué)習(xí)Flow-3D軟件并進(jìn)行數(shù)值建模訓(xùn)練。

（4）2014年11-12月：利用Flow-3D軟件，對(duì)不同流速、不同水位情況下的天然河道進(jìn)行數(shù)值模擬，并利用流場圖、泥沙堆積高度變化圖對(duì)其進(jìn)行沖刷效果對(duì)比分析。

（5）2015年1-2月：利用Flow-3D軟件，對(duì)不同流速、不同水位情況下鋪上雷諾護(hù)墊后河道進(jìn)行數(shù)值模擬，并利用河岸高程變化曲線對(duì)其進(jìn)行沖刷效果對(duì)比分析。

（6）2015年3-4月：利用Flow-3D軟件，對(duì)不同鋪設(shè)方式、不同尺寸、不同填充粒徑下鋪上雷諾格賓后河道進(jìn)行數(shù)值模擬，并利用泥沙堆積高度變化

圖、最大沖刷深度對(duì)比表對(duì)其進(jìn)行沖刷效果對(duì)比分析。

（7）2015年5月：分析數(shù)據(jù)成果，優(yōu)化工藝參數(shù)，確定最佳結(jié)構(gòu)型式。

（8）2015年5-6月：撰寫研究報(bào)告，申請結(jié)題。

2. 項(xiàng)目研究和實(shí)踐情況

一年來，我們通過網(wǎng)絡(luò)、圖書館各種文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫對(duì)國內(nèi)外山區(qū)河岸特性與雷諾護(hù)墊技術(shù)進(jìn)行廣泛調(diào)研，收集分析相應(yīng)的研究資料，全面了解和掌握目前山區(qū)河岸特性與雷諾護(hù)墊技術(shù)的研究現(xiàn)狀。通過理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場踏勘等多種方式研究雷諾護(hù)墊在不同流速、不同水位情況下的最優(yōu)結(jié)構(gòu)型式和護(hù)墊平鋪長度，并以此為基礎(chǔ)對(duì)該護(hù)坡結(jié)構(gòu)型式在實(shí)際工程中應(yīng)用給出了建議。

（1）河道水流特性及河道沖刷機(jī)理

本項(xiàng)目研究的是急流淘刷情況，因此采用弗勞德數(shù)來衡量急流和緩流，進(jìn)行急流界定；并且對(duì)相應(yīng)水位下的流速進(jìn)行急流擬定，進(jìn)行不同流速下的河道沖刷研究。河道的淘刷主要是因?yàn)楹影镀履_受到?jīng)_蝕作用，當(dāng)沖蝕到一定程度，掛空的上部岸坡崩塌，崩塌下來的土塊被水流帶走，然后水流再次沖刷坡腳形成沖刷循環(huán)，加重了岸崩程度，嚴(yán)重的話可能導(dǎo)致洪水爆發(fā)和泥石流的產(chǎn)生，圖5為天然河道水流條件模擬圖。

 

圖5  天然河道水流條件模擬圖

（2）山區(qū)河道防護(hù)設(shè)計(jì)依據(jù)及實(shí)踐研究

①本研究采用雷諾護(hù)墊和雷諾格賓對(duì)河道進(jìn)行防護(hù)，圖6為雷諾護(hù)坡與格賓護(hù)腳后河道剖面圖；并且根據(jù)不同的流速，對(duì)其結(jié)構(gòu)參數(shù)和施工參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，見表1。

 

圖6  雷諾護(hù)墊與格賓護(hù)腳后河道剖面圖

②怡馬溪覃家村河段河道以河漫灘為主，表部土壤流失嚴(yán)重，洪水季節(jié)，兩側(cè)農(nóng)田和村莊多次遭受洪水淹沒，為了保障當(dāng)?shù)厝嗣竦纳?，相關(guān)部門引入了雷諾護(hù)墊技術(shù)，雷諾護(hù)墊為平鋪方式、尺寸為6m2m0.23m，實(shí)踐表明雷諾護(hù)墊技術(shù)對(duì)該河段防護(hù)效果顯著，成功解決了水土流失所引起的一系列問題。

 

表1 雷諾護(hù)墊/格賓相關(guān)參數(shù)與水流流速參照表

 

（3）不同水流雷諾護(hù)坡工作性態(tài)及河岸防沖效果研究（見圖7）

 

圖7  雷諾護(hù)坡后河道模型立體圖

①不同厚度和不同阻力系數(shù)的雷諾護(hù)墊護(hù)岸抗沖效果分析。通過研究當(dāng)水深為1.5m、水流流速為4.0m/s時(shí)，采用厚度為0.17m、0.23m、0.30m三種雷諾護(hù)墊護(hù)岸；取三種護(hù)岸后河岸高程變化曲線進(jìn)行對(duì)比分析得出雷諾護(hù)墊厚度對(duì)河岸抗沖效果的影響。

通過以上分析和研究得出：一定水流流速、水深條件情況下，較厚的雷諾護(hù)墊護(hù)岸效果較好且水深為1.5m、水流流速為4.0m/s應(yīng)采用厚度為0.30m的雷諾護(hù)墊。

②抗沖效果分析。通過研究雷諾護(hù)墊采用阻力系數(shù)為0.5、0.8、1.2的三種填充材料時(shí)，取三種護(hù)岸后河岸高程變化曲線進(jìn)行對(duì)比分析，得出雷諾護(hù)墊用不同阻力系數(shù)的填充材料對(duì)河岸抗沖效果的影響。

通過以上分析和研究得出：改變阻力系數(shù)對(duì)河岸的抗沖效果影響并不大

（4）不同水流雷諾格賓工作形態(tài)及坡腳防沖效果研究（見圖8）

 

圖8  格賓護(hù)腳后河道立體圖

①不同格賓鋪設(shè)方式下雷諾格賓護(hù)腳效果分析。通過研究雷諾格賓在鋪設(shè)方式為平鋪式、半嵌入式、嵌入式的情況下的護(hù)腳效果，并利用流場圖、泥沙堆積高度變化圖對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析，得出鋪設(shè)方式對(duì)格賓護(hù)腳效果的影響。

通過以上分析和研究得出：當(dāng)格賓為平鋪式時(shí)，疊加于河床之上，對(duì)河床底部水流有一個(gè)阻礙作用，改善格賓的防沖刷效果，因此雷諾格賓采用平鋪式在山區(qū)河岸防護(hù)中更容易得到推廣。

②不同格賓尺寸情況下雷諾格賓護(hù)腳效果分析。通過研究雷諾格賓在尺寸為6m10m0.5m、6m10m1m、8m10m0.5m、8m10m1m、10m10m0.5m五種情況下的護(hù)腳效果，并利用最大沖刷深度對(duì)比表對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析得出尺寸對(duì)格賓護(hù)腳效果的影響。

通過以上分析和研究得出：當(dāng)格賓尺寸為6m10m1m時(shí)的護(hù)腳效果最好，不僅抵抗水流的沖刷，而且剛好覆蓋住了沖刷部位，較其它具有相同防護(hù)效果不同規(guī)格雷諾格賓更加經(jīng)濟(jì)。

3. 主要成績和收獲

在項(xiàng)目實(shí)施過程中，項(xiàng)目組成員學(xué)得了不少專業(yè)知識(shí)，分析問題能力和實(shí)踐動(dòng)手能力得到了很大提高，同時(shí)進(jìn)一步增強(qiáng)了團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識(shí)。主要成績?nèi)缦拢?/span>

（1）提交研究結(jié)題報(bào)告1份，明確了雷諾護(hù)墊最佳結(jié)構(gòu)型式與鋪設(shè)長度，為該結(jié)構(gòu)在山區(qū)河道中使用奠定了良好的技術(shù)基礎(chǔ)。

（2）完成本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）3篇。

① 楊濤(組員).山區(qū)河岸雷諾護(hù)腳的工作形態(tài)與結(jié)構(gòu)形式選擇研究[D].長沙理工大學(xué)本科畢業(yè)論文.指導(dǎo)教師:秦衛(wèi)星，2015.6

② 邱朝嶺(組員).山區(qū)河岸雷諾護(hù)坡的工作性態(tài)與結(jié)構(gòu)型式選擇研究 [D].長沙理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì).指導(dǎo)教師:秦衛(wèi)星，2015.6

③ 余韜（組員）.怡馬溪覃家村河段綜合治理工程設(shè)計(jì)[D].長沙理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì).指導(dǎo)教師:秦衛(wèi)星，2015.6

4. 研究工作中的困難、問題和建議

（1）研究中遇到的困難和問題：

①Flow-3D模擬軟理論基礎(chǔ)比較復(fù)雜，自學(xué)困難；

②工作量較大，研究時(shí)間偏緊。

（2）建議：

可以在本次研究成果基礎(chǔ)上，進(jìn)一步從以下兩方面開展研究工作，為更好應(yīng)用該護(hù)坡技術(shù)提供支撐：

①考慮波浪對(duì)河岸的沖擊作用，分析波浪、急流淘刷聯(lián)合作用下山區(qū)河岸破壞機(jī)理及防護(hù)效果；

②本研究主要考慮了均質(zhì)岸坡的沖刷破壞及防沖效果，可根據(jù)山區(qū)河道實(shí)際，以非均勻岸坡（譬如二元岸坡結(jié)構(gòu)）為對(duì)象開展研究。

四、經(jīng)費(fèi)使用情況

經(jīng)費(fèi)合計(jì)2.0萬元，其中，學(xué)校配套資助1.0萬元，學(xué)院（所）配套資助     0萬元，其他經(jīng)費(fèi)0萬元。

    1.資料收集、整理                0.20萬元

2.工程現(xiàn)場調(diào)研                  0.20萬元

3.模型試驗(yàn)                      0.60萬元

4.文獻(xiàn)檢索及打印復(fù)印            0.30萬元

5.交通費(fèi)                        0.20萬元

6.論文版面費(fèi)                    0.30萬元

7.其他支出                      0.20萬元

  總計(jì)：                        2.00萬元

五、指導(dǎo)教師及學(xué)院（系）審核意見

項(xiàng)目指導(dǎo)教師對(duì)結(jié)題的意見，包括對(duì)項(xiàng)目研究工作和研究成果的評(píng)價(jià)等。

該項(xiàng)目采用理論研究、數(shù)值模擬、現(xiàn)場踏勘等多種研究方法，探究了不同流速、不同水位情況下天然河道沖刷機(jī)理與破壞形式，并對(duì)不同類型生態(tài)護(hù)坡結(jié)構(gòu)在不同鋪設(shè)方式下河道岸坡、坡腳的防沖護(hù)效果進(jìn)行了較系統(tǒng)的研究。項(xiàng)目成果揭示了不同水流條件下山區(qū)河道在雷諾護(hù)墊防護(hù)前后岸坡、坡腳被急流淘刷作用下的響應(yīng)規(guī)律，進(jìn)而給出了相應(yīng)水流條件下雷諾護(hù)墊的結(jié)構(gòu)型式與鋪設(shè)方式。研究內(nèi)容豐富、工作量大，項(xiàng)目組成員完成以該生態(tài)護(hù)砌結(jié)構(gòu)為對(duì)象的畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）3篇，撰寫了項(xiàng)目研究報(bào)告，基本完成了項(xiàng)目預(yù)定目標(biāo)。相關(guān)結(jié)論對(duì)今后工程界更好應(yīng)用雷諾護(hù)墊護(hù)坡、格賓護(hù)腳有一定指導(dǎo)意義，同意申請結(jié)題。

 

負(fù)責(zé)人簽章：

   年    月    日

項(xiàng)目主持人所在學(xué)院（系）對(duì)結(jié)題的意見，包括對(duì)項(xiàng)目研究工作和研究成果的評(píng)價(jià)等

 

 

 

負(fù)責(zé)人簽章：

                                                 年    月    日

六、學(xué)校結(jié)題審核意見

學(xué)校對(duì)項(xiàng)目研究的任務(wù)、目標(biāo)、方法和研究成果水平等進(jìn)行評(píng)價(jià)，是否結(jié)題。

 

 

 

 

 

年    月    日

 

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