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山地河流穿越管道冲坑扩展规律的试验研究

杨乾  杨庆华  姚锦涛  张宇倩  王子聪  
【摘要】:合理预测山地河流穿越管道的未来埋深和悬空长度对其安全运营至关重要。本文以北干线输气管道穿越工程为研究对象开展了水槽模型试验,观测分析河流穿越管道附近河床演变趋势,研究流量、水深和管径等因素对冲坑扩展规律的影响。结果表明:河床演变主要由推移质泥沙输移引起,而随着管径的增大,在管底形成冲坑点的次数逐渐减少;管底形成冲刷之时冲坑竖向扩展速率很大,随着管涌的发生,冲刷速率逐渐减小,冲刷深度逐渐增大;管底冲坑竖向扩展过程满足一级动力学反应方程,归一化处理后得到了冲刷深度与冲刷时间之间关系式;水动力条件、管径和沙粒特性共同影响管底极限冲刷深度,采用Gauss-Seidel迭代法得到无量纲冲刷深度与相对泥沙粒径和弗劳德数Fr参数的关系式;当Fr0.6时,冲坑横向扩展仅为初级扩展一个阶段,当Fr0.6时,冲坑横向扩展过程包含初级扩展和次级扩展两阶段;最后,结合试验数据和冲坑竖向扩展经验模型,推导出冲坑横向扩展速率计算公式,且模型预测结果较好。研究结果可为探究山地河流穿越管道冲坑扩展规律及管道后期安全运营维护提供重要参考价值。

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