雨水工程论文范文第1篇

关键词：非饱和土；雨水入渗；渗流-变形耦合分析；有限元方法

1.引言

在降雨过程中，雨水会逐渐渗透到非饱和土坡中去。由于雨水的入渗，非饱和土坡会在渗流-变形耦合作用下逐渐变形，坡内的吸力、孔隙水压力和应力分布也会发生相应的变化。在长时间的降雨入渗作用下，由于土体的力学性质的变化和变形的发展，在初始稳定的土坡体内会逐渐形成滑裂面，从而导致滑坡的发生。从而会影响雨水入渗和变形耦合过程，可见有必要研究非饱和土坡在降雨入渗时的渗流-变形耦合过程。

对于降雨入渗时非饱和土坡的变形和破坏过程的研究主要集中于两个方面[1-3]，一是物理模型实验研究[4-7]，另一是采用非饱和土固结理论的数值模拟研究[8-11]。陈铁林等[12]基于双变量非饱和土固结理论，考虑裂隙的影响，把固体骨架的应力应变特性理想为弹性的，以位移、孔隙水压力和孔隙气压力为变量对一般超固结土边坡和膨胀土边坡进行了有限元数值分析；袁俊平等[13]进行了考虑裂隙非饱和膨胀土边坡入渗模型与数值模拟，分析了边坡地形、裂隙位置、裂隙开展深度及渗透特性等对边坡降雨入渗的影响；王环玲等[14]对于泄洪雾雨区裂隙岩质边坡进行了饱和-非饱和渗流场与应力场耦合分析，详细研究了耦合后边坡岩体的变形、应力以及塑性区开展。基于非饱和土简化固结理论[15]，沈珠江等[16-17]对膨胀土渠道边坡进行了降雨入渗和变形耦合分析，并与实测对比了孔隙水压力变化和变形的发展。本文采用非饱和土简化固结理论和有限元分析方法对降雨入渗时非饱和土坡内的渗流场和应力场的分布和发展过程进行探讨。

2.非饱和土固结理论[2-15]

2.1有效应力公式

5.结论

本文采用非饱和土的简化固结理论，采用弹塑性有限元对非饱和土土样脱水时的室内试验进行了模拟，并对一非饱和土坡进行了蒸发后降雨入渗时的渗流-变形耦合过程进行了分析。分析结果表明本文提出的方法可以较好地模拟柱状Del Monte砂样的脱水试验过程中的孔隙水压力的变化，且可以定量的模拟出非饱和土坡蒸发后入渗过程中位移和孔隙水压力的分布。

参考文献

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雨水工程论文范文第2篇

关键词：雨水，雨水利用，初期雨水，人工湿地

 

1.概述

雨水是自然界水循环系统中的重要环节，对调节、补充地区水资源和改善及保护生态环境起着极为关键的作用。在城市范围内，可有目的地采用各种措施对雨水资源进行保护利用，主要包括收集、储存和净化后的直接利用；利用各种人工或自然水体、池、湿地或低洼地对雨水径流实施调蓄、净化和利用，改善城市水环境和生态环境；通过各种人工和自然渗透设施使雨水渗入地下，补充地下水资源。

从广义上讲，陆地上一切形式的水资源利用都是雨水利用，而我们所说的雨水利用是特指有目的地对降雨资源进行收集、调配和利用等过程。城市雨水利用包括雨水的收集、储存、控制并高效利用等过程。雨水用途包括：补充地下水、绿化用水、景观用水、城市杂用（洗车、冲洗道路及建筑物、消防等）、居民杂用、工业用水，深度处理后甚至还可以用作饮用。

由此可见，雨水是一种极有价值的水资源。近年来，一些发达国家城市雨水的资源化和雨水的收集利用技术发展很快。

但是我国在以往的城镇雨水排水工程中主要以排放为主，基本上没有考虑雨水的利用。大量雨水通过管道直接排入水体，这对于中国这个世界上严重缺水的国家来说是一种极大的资源浪费，同时也造成了初期雨水对水体的污染。

随着国家的发展、社会的进步和公民素质的逐步提高，环保理念逐步深入人心，政府对环境污染防治的投入也在逐渐的增加。雨水利用技术在我国一些区域逐渐发展起来。目前国内对雨水的利用主要集中在社区、广场及公共绿地等范围内，对于城市市政雨水的收集与利用工程在国内还处于起步阶段。

2.方案介绍

本文所要论述的雨水利用主要是对市政道路系统径流的雨水以及各细胞社区弃流或外排雨水（本文将这部分雨水通称为“市政雨水”）的收集与利用。

需要强调和说明的是，对于市政雨水，无论是否采取收集利用措施，都必须设置完备的市政雨水的收集与排放系统。我们所讨论的雨水利用，应该是在避免洪涝灾害的发生，保障城市安全的前提下，适当的考虑对市政雨水进行收集与利用。

笔者曾有幸参与了中新天津生态城的市政基础设施方案设计工作，借此文提出该工程在市政雨水收集利用方面的一些粗浅的思路和设计方案，供广大排水专业人员批评指正，以起到抛砖引玉的作用。，雨水利用。

2.1市政雨水渗透、滞蓄利用方案

雨水的收集与利用方式呈多样化，技术经济分析显示，雨水渗透、滞蓄方案设计简单、可操作性强、效果显著。

通过在机非隔离带内设置渗透、滞蓄设施对市政雨水进行控制，达到雨水入渗地下和滞留灌溉等利用目的，其工艺流程如下图。

雨水渗透、滞留工艺流程

本方案成立的前提条件是须在道路两侧设置有隔离带，且宽度尽量不小于3米。这样，可将隔离带设置为雨水渗透、滞蓄沟。在沟内填入工程废弃的混凝土块和适量的炉渣等吸附性较强的土石料，其上铺渗透系数较大的人工拌和土作为植被土，种植适宜在水中生长的水生植物或乔木。在沟内沿途设置雨水收水井，并将收水井井篦高程设置为高于植被土高程且低于路面高程。雨水沿道路径流至沟内，部分雨水可通过沟内渗透性较好的土质渗透到地下，可以对地下水起到补给作用。另外，具有一定吸附性的土石料可以对雨水中所含的污染物等杂质起到一定的吸附作用。随着水量的增加，沟内水位升高至雨水收水井井篦的位置时，雨水可溢流到收水井内，通过雨水管道输送至雨水泵站，经泵站提升后排入人工湿地或其他处理设施。当超过人工湿地接纳容量时，可直接将雨水排入附近的水体。

断面示意图

该方案的优点是可以在快速有效的对雨水进行收集的同时对雨水具有较好渗透和滞蓄作用。既可以有效的利用雨水对地下水资源进行补给，也可以有效的节省绿化用水量。中小雨时，可通过设置在雨水泵站内的中小雨水泵将雨水排入人工湿地或其他处理设施进行净化。该方案同时具有很好的景观效果。

该方案存在以下问题：

①大雨或暴雨时，超过湿地处理容量的雨水无法进入湿地，直接排入天然水体。距离雨水泵站远点的初期雨水在管道内的流行时间较长，当其到达雨水泵站时，可能湿地的处理容量已经饱和，则这部分初期雨水被直接排入天然水体。虽然考虑大量的中期雨水会将初期雨水的污染物浓度起到稀释作用，但可能仍然会对天然水体造成一定程度的污染。

②渗透、滞蓄沟内容易淤积初期雨水中的泥沙等污染物。

2.2市政初期雨水分离、处理方案

降雨初期，雨水溶解了空气中的大量酸性气体、汽车尾气、工厂废气等污染性气体，降落地面后，又由于冲刷沥青油毡屋面、沥青混凝土道路、建筑工地等，使得前期雨水中含有大量的有机物、病原体、重金属、油脂、悬浮固体等污染物质。

关于初期雨水中所含污染物及其浓度的统计数据可参见表1、2（由于笔者手头没有国内与此相关的统计数据，故参考了美国的一些相关统计数据。考虑到发展水平、地域环境以及企业和人口素质等因素，笔者认为，国内的相关数据应高于美国）。

表1美国雨水水质统计数据

Tab.1 Rain runoff pollution in USA

雨水工程论文范文第3篇

关键词：斜拉桥；拉索；风雨激振

Abstract: from the field observation, wind tunnel test, the theoretical analysis and the CFD simulation four aspects to cable-stayed Bridges of vibration problems and the present study status of generalization and summarized, analyzed the existing research results, the research direction in the future was prospected for relevant researchers reference.

Keywords: cable-stayed bridge; The lasso; Rain excitation

中图分类号：U448.27文献标识码：A 文章编号：

1.引言

斜拉桥是一种由三种基本承载构件，即梁（桥面）、塔和两端分别锚固在塔和梁上的拉索共同承载的结构体系，以其结构受力性能好、跨越能力强、结构造型多姿多彩、抗震能力强及施工方法成熟等特点，而成为现代桥梁工程中发展最快、最具有竞争力的桥型之一，在桥梁工程中得到了越来越多的应用。进入二十世纪90年代以来，随着计算机性能的提高、正交异性桥面板制造工艺的成熟以及施工技术的进步，斜拉桥在世界范围内得到广泛应用，其跨径已经进入以前悬索桥适用的特大跨径范围。目前，世界约建成300多座斜拉桥，作为斜拉桥建设史上里程碑的日本的多多罗大桥（主跨890米）和法国的诺曼底大桥（主跨856米）首次使斜拉桥进入特大跨度桥梁领域。我国斜拉桥建设起步较晚，但发展迅速，自1977年建成重庆云阳桥（主跨76米）以来，目前已建成各类斜拉桥200余座，包括上海杨浦大桥（主跨602米）、南京长江二桥（主跨628米）、南京长江三桥（主跨648米）、香港昂船洲大桥（主跨1018米）等一批大跨度桥梁；2008年6月30日，苏通长江大桥（主跨1088米）正式通车，成为当今世界跨径最大斜拉桥，使斜拉桥跨度突破千米大关。

由于斜拉索质量、刚度和阻尼都很小，随着斜拉桥跨度的增大，拉索振动问题的影响日益显著。在各种振动情况中，风雨激振是拉索风致振动中最强烈的一种，且风雨激振的起振条件容易满足，振幅极大，对桥梁的危害最为严重，因而关于斜拉桥拉索风雨激振的研究得到了国内外学者的广泛重视。

风雨激振是指干燥气候下气动稳定的圆形截面的拉索，在风雨共同作用下，由于水线的出现，改变了拉索的截面形状，使其在气流中失去稳定性，由此发生的一种大幅振动。1984年日本学者Hikami和Shiraishi首次在Meikonishi桥上详细观察到了拉索的风雨激振现象，直径140mm的斜拉索在14m/s风速下振幅值达到275mm。1995年，美国的Fred Hartman桥由于斜拉索的风雨振动导致斜拉索的根部索套开裂。中国的杨浦大桥尾索在风雨共同作用下曾发生强烈振动其最大振幅超过1米，在1994年和1995年曾三次因拉索的振动而导致减振器脱落。洞庭湖大桥在2000年建成以来，发生多次较强烈的风雨激振现象。斜拉索发生大幅振动的危害是显而易见的，会引起拉索的疲劳，在索锚接合处产生疲劳裂纹，破坏索的防腐系统。严重的甚至会引起拉索的失效，而任何一根拉索一旦丧失承载能力，都会引起斜拉桥整体内力的重新分布，导致斜拉桥的整体失稳和破坏，造成严重的安全事故和巨大的经济损失。

2.研究现状

2.1.现场实测

现场观测是最早用于研究风雨激振的手段。它可以获得拉索风雨激振最准确的特征，为验证风洞试验和理论分析研究结果的真实性、可靠性提供宝贵的资料。

日本学者Hikami等对日本名港西(MeikoNishi)大桥的实测。20世纪80年代，在日本建造名港西大桥的过程中，发现了比较严重的风雨激振现象，Hikami等选取了其中24根索进行实测，对该桥进行了为期5个月的现场实测，并总结出了拉索风雨激振的如下特征：拉索仅在下雨情况下才出现大的振幅；只有倾斜方向与风向同向的拉索才会发生风雨激振；拉索风雨激振发生在一定风速范围内；拉索风雨激振的振动频率远小于涡激振动频率，而振幅则远大于拉索涡振的振幅；随着拉索长度的增加，发生风雨激振的拉索振型从低阶到高阶变化。风雨激振发生时拉索振型一般为1-4阶；拉索表面会形成水线，水线会随着拉索的振动而振荡。

Main和Jone对美国Fred Hartman桥的斜拉索风雨激振情况进行了现场监测。监测结果表明：大部分情况是处于无降雨状态，斜拉索振动幅值较小；少部分是在中等降雨情况下，斜拉索可能发生风雨激振，风速范围在4-14.5m/s之间；同时也得出一些与其他学者不一样的特征，在大雨情况下，极少数风速样本点（小于5m/s）伴随较大的加速度响应，不仅风向与中等降雨情况发生很大改变，而且其风向离散性非常大，最大差异将近180°。

Zuo等进一步对Fred Hartman桥的其中一根斜拉索的风雨激振进行了现场监测。这根拉索直径0.194m，长度197.9m，通过现场观测得到斜拉索在2-6阶模态都发生了风雨激振，其中2-4阶模态的振动幅值最大，发生风雨激振的风速段主要集中在5-10m/s，同时也观测到少量10-15m/s发生风雨激振的情况。将风速换成折算风速之后，认为风雨激振是发生在高折算风速的一种涡激振动。

陈政清等于2001年1月至2004年4月对岳阳洞庭湖大桥上进行了连续4年的风雨激振观测研究。监测结果表明：拉索进入稳定的大幅振动后，其波形犹如甩鞭状，可以认为至少在拉索中部一个相当大的范围内每个拉索截面都有几乎相等的振幅，拉索的这种振动形态很接近驰振的特征；降雨是拉索发生大幅风雨激振的必要条件，在无雨的条件下，即使是风速达到20m/s，洞庭湖大桥的拉索也几乎不发生振动，但是风雨激振与降雨强度却无明显的相关性，当降雨几乎停止时，由于拉索上源源不断有雨水流下，拉索仍在大幅振动，即只要有上水线存在，风雨激振就不会停止；在有雨条件下，起振风速约在6m/s―8m/s之间，当风速超过14m/s时，就有较强烈的风雨激振现象，在14m/s―20m/s范围内，振幅随风速增加而增加；靠近桥塔的4#、5#索，其倾角已达70度，也会发生明显的风雨激振。

通过研究国内外专家对风雨激振现场观测的结果，得出了一些结论：(1) 与拉索振动形态的关系。进入稳定的大幅振动后，其波形犹如甩鞭状，拉索表面会形成振荡的水线，表现为低阶振型。(2) 与环境参数的关系。风雨激振存在起振振动，只在一定风速范围内发生；在无雨情况下，很少观测到风雨激振，而且雨量为小到中雨情况观测到风雨激振次数最多。(3) 与拉索本身参数的关系。风雨激振的振幅大小与拉索的表面材料、长度、风偏角和倾斜方向等参数有关。

2.2.风洞试验

按照水线的模拟方法，研究风雨激振的风洞试验可分为两种类型：人工降雨试验和人工水线试验。

1. 人工降雨试验

人工降雨试验是在风洞内通过人工模拟降雨，提供与实际拉索发生风雨激振相类似的风雨条件，对通过弹簧悬挂在固定支架上的拉索节段模型进行的一种试验形式。

Hikami与Shiraish在日本名港西大桥发现风雨激振现象后，随即在风洞试验中重现了该现象，并在试验的基础上初步分析了拉索风雨激振的发生机理，认为拉索风雨激振有两种可能机理：一种是邓哈托驰振机理；另一种是类似裹冰输电线的弯扭两自由度驰振机理。

Matsumoto等也进行了一系列的人工降雨试验，研究了具有一定风向角和倾角的圆柱体在有雨和无雨情况下的气动特性，试图解释拉索风雨激振的机理。

M.Gu等在同济大学TJ-1风洞实验室成功地重现了拉索的风雨激振现象，这在国内尚属首次。通过试验研究了来流风速、拉索倾角和风向角、拉索振动频率、结构阻尼等对风雨激振的影响及拉索空间姿态对上水线位置的影响，测量了拉索风雨激振时的气动阻尼；另外对螺旋线控制拉索风雨激振的有效性进行了试验研究。

2. 人工水线试验

人工水线试验是在风洞内对带有人工水线的拉索节段模型进行的一种试验形式。根据人工水线与拉索的连接形式和试验的测量内容的不同，人工水线试验可分为：固定人工水线测振试验、固定人工水线测力试验、固定人工水线测压试验和运动人工水线测振试验。

固定人工水线试验可研究水线在拉索表面的位置、水线形状和水线大小等参数对拉索风雨激振的影响。可通过测力或表面测压得到带人工水线拉索的气动力与水线位置的相互关系，为进一步的理论分析提供试验依据。运动人工水线测振试验可模拟水线在拉索表面的运动，更真实地模拟实际拉索发生风雨激振时的运动现象，用于研究拉索振动和水线运动之间的耦合关系。

Yamaguchi对带有小圆柱体的大八面体柱体节段进行了一系列测力试验，试验得到了在不同d/D比值(这里d为小圆柱的直径，D为八面体圆柱体的平均直径)时圆柱体的三分力系数随风的攻角的变化规律。虽然Yamaguchi的试验模型与拉索发生风雨激振时的实际情况相差甚远，但得到的结果却使得进一步的理论分析成为了可能。

Matsumot对带人工上水线的圆柱体进行了测振和测压试验。研究了紊流度、上水线位置、风速、风攻角等参数对带人工上水线圆柱体的气动性能的影响，并测得了强迫振动时带人工水线拉索表面的压力分布。Matsumoto认为紊流度的增加可减小发生拉索风雨激振的可能性；人工上水线在某些位置可剧烈地改变拉索的气动性能。

同济大学是国内外较早进行拉索人工水线试验研究的科研机构之一。刘慈军等通过一系列固定人工水线测振风洞试验，研究了水线在拉索风雨激振中的作用，分析了风向角、拉索质量、拉索振动频率、拉索结构阻尼及St数等参数对拉索风雨激振的影响。彭天波在风洞中采用测力天平测得了带固定人工水线拉索节段模型在不同风攻角时的气动力，进而得到了模型的升力阻力系数随攻角变化的曲线，并对气动力进行了谱分析。吕强设计了大小不同的两种形状的人工水线，通过测力天平得到固定人工水线拉索模型的气动力随上水线位置的变化曲线。黄麟在固定人工水线试验的基础上设计了运动人工水线的试验装置，研究了水线振动与拉索运动之间的耦合关系，分析了风速、水线平衡角和阻尼比等参数对拉索振动的影响，并在频域上比较了固定水线模型与运动水线模型振动的区别。杜晓庆通过拉索表面测压试验，研究了水线位置、风向角、下水线、水线尺寸和风速等参数的影响，并且得到各种参数下上水线表面的风压分布规律，通过表面压力的积分得到了带固定人工水线三维拉索的气动力和水线上的气动力。

哈尔滨工业大学的李惠，陈文礼研究了一套实时监测斜拉索风雨激振时其表面水线特征的超声波测厚系统，进行斜拉索风雨激振风洞试验，分析不同风速下斜拉索的上水线状态，研究了上水线几何特征与斜拉索风雨激振之间的关系，揭示斜拉索风雨激振与上水线振荡频率、振动幅值、平衡位置和相位之间的相关性。

通过分析不同研究者人工模拟降雨风洞试验的成果，可以得到一些共同点：风雨激振风速一般为6-18m/s，雨量一般为小到中雨，通常发生风雨激振的斜拉索是沿风向向下的方向，拉索直径一般为100-200mm，下水线对风雨激振的影响较小；斜拉索风雨激振主要发生在面内，也存在一个面外分量，风雨振动的频率一般为0.6-3.4Hz，在斜拉索表面形成上下两条水线，沿索表面向下流动，上水线沿斜拉索模型环向振荡，振荡频率等于模型的自振频率。

拉索风雨激振现象机理非常复杂，受各种因素影响，例如：拉索倾角、来流风速、来流方向、来流紊流度、拉索的振动频率、拉索阻尼、降雨量、拉索线质量等。现场实测虽然能获得拉索风雨激振最真实的特征，但无法对各种影响因素进行参数分析。为系统研究风雨激振的机理，风洞试验可以重现风雨激振的一些基本特征，还可研究振动控制措施的有效性。

2.3.理论分析

目前关于斜拉索的风雨激振问题形成机理大致可分为如下几类观点：

1. 驰振机理

日本的Hikami与Shiraishi1985年在Meiko.Nishi桥最先观测到风雨激振现象。随后他们通过一系列的人工降雨风洞实验再现了这一现象。他们在实验的基础上初步分析了风雨振的发生机理，认为风雨激振可能有两种机理：一种是Den Hartog驰振机理；另一种是弯扭两个自由度驰振机理。

2. 上水线振荡诱发机理

H.Yamaguchi在进行带固定人工水线拉索三分力实验基础上，最早进行了理论分析，对于Hikami提出的两个可能的机理，Yamaguchi采用准定常驰振方法进行分析，建立拉索和水线两自由度运动方程。分析认为单自由度Den Hartog驰振理论不能解释风雨振的形成机理水线是风雨激振不可缺少的条件，当水线的振荡频率接近于拉索的自振频率时，水线与拉索之间的相互作用导致斜拉索产生负阻尼，引发斜拉索发生大幅振动，应该把风雨激振作为一个两自由度驰振问题来研究，通过分析发现水线的形状和位置的变化会改变拉索的气动稳定性。

Xu&Wang,Wang&Xu在Yamaguchi的基础上提出单自由度分析模型，将气动力升力表示成拉索竖向运动速度、水线角度和角速度的函数，将拉索速度项移至方程左边（气动阻尼项），右边则剩下水线的运动项，风雨激振变为在水线运动荷载下的受迫振动，但没有考虑拉索运动对水线的振幅和频率的影响。对于移动水线情况，由于水线与拉索以及来流之间的相互作用导致气动阻尼发生交替的变化，从而引发风雨激振。Wilde&Witkowski在Xu&Wang单自由度模型中考虑了水线振荡幅值随风速的变化关系。

Peil, U.& Nahrath, N在Yamaguchi两方程驰振模型的基础上，建立一个三自由度模型，增加了斜拉索顺风向振动进行分析，假设斜拉索受到的气动力矩全部作用到水线上，并且通过实验研究了索结构风雨激振，认为上水线的运动是导致风雨振的主要原因。

Seidel等将水线看作是移动干扰，考虑斜拉索表面存在两条水线，建立了六个耦合方程组，分别表示斜拉索和两条水线横风向和顺风向运动。由于水线的存在，圆柱表面被分成不同压强区域（亚临界和超临界），通过积分得到气动升阻力系数，气动升阻力表示成水线角度的函数。Seidel等指出当风速大于某个限制，流动不存在转变，这时不会发生风雨激振；发生风雨激振的速度下限是由风偏角和拉索倾斜角决定的。

3. 上水线特定位置致振机理

Masumoto对带人工上水线的圆柱进行了测振和测压实验。研究了紊流度、上水线位置、风速、风攻角等参数对该模型的气动性能的影响，并测得强迫振动时带人工水线拉索表面压力分布，提出了上水线在某些位置可剧烈改变拉索的气动性能。

Xu&Wang,Wang&Xu认为对于静止水线情况，拉索大幅值振动的发生是由于水线处于某些特定位置使得拉索产生负的气动阻尼造成的。

国内，顾明和杜晓庆建立了三维拉索风雨激振的准二自由度运动方程，气动力系数根据带人工水线三维拉索模型试验得到，分析了水线平衡位置和水线振幅的取值，采用数值求解方法计算了拉索风雨激振振幅。顾明、黄麟、刘慈军等通过人工水线风洞测振试验研究，得出了水线特定位置是引起索结构大幅振动的主要因素的结论。

4. 涡激振动机理

Delong Zuo揭示了风雨激振与高风速下干索涡激振动之间的联系，认为风雨激振的内在机理与涡激振动的相同，与降水无关。由于风偏角和拉索倾角的存在使得这种涡激振动不同于经典卡门涡脱，是一种三维涡激振动。

5. 轴向流与水线间的气液耦合现象引发振动机理

Masumot提出了轴向流理论，认为拉索上部形成的水线和拉索背风面的轴向流是拉索结构发生振动不稳定的重要因素，轴向涡流与上水线的气液耦合现象是拉索风雨激振的关键所在。

2.4.CFD数值模拟

风工程的研究方法主要有风洞试验、现场测试、理论分析和数值模拟四种，其中数值模拟是最近30年在前三种方法的基础上逐步发展起来的，下面的介绍为CFD技术在拉索风雨激振方面的相关研究。

高仕宁选取雷诺应力(RSM)模型，应用CFX软件分别对位于拉管不同位置的水线和不同尺寸的水线的情况做数值模拟，得出拉管表面压力分布、升力系数、阻力系数的变化规律，并与前人的试验数据进行了对比。李寿英和顾明采用CFX软件对带固定人工水线斜拉索的绕流进行数值模拟，选取两种人工水线，计算了倾角为30°、风攻角为35°时带固定人工水线拉索的阻力系数、升力系数、表面平均压力系数、固定人工水线上的气动力等，并与试验结果进行比较。Rocchi D和Zasso A 选取大涡模拟（LES）模型，使用FLUENT软件，对固定水线位置的拉索进行了模拟，并得出一些有益的结论。陈文礼和李惠提出物理试验与CFD数值模拟的混合子结构方法，通过与圆柱涡激振动的流固耦合方法结果进行比较，分析了上水线对绕流场特性的影响，然后采用有限元程序ANSYS和计算流体动力学程序CFX对考虑风速剖面的CFRP斜拉索涡激振动进行流固耦合方法的CFD数值模拟。

3.结语与展望

本文参考各类文献，对斜拉桥拉索风雨激振问题进行了系统总结, 并对今后的设计研究提出展望。总结如下:

在现场观测和风洞试验方面，未来的研究应更加关注水线的形成及其在风雨激振中的作用，精确测量不同拉索运动状态下的水线形状和位置，为理论分析和数值模拟提供基础。

在理论分析方面，虽然国内外很多学者和专家提出了各种理论模型和数值解析方法分析风雨激振发生机理，但是迄今为止还是没有一种大家公认的对斜拉索风雨激振的发生机理能够完全解释清楚的模型，对设计工作也无决定性的指导意义，今后的研究应侧重于风雨激振的轴向流、风场与水线间的气液两相耦合现象以及风场、水线与拉索间的气液固三相耦合现象的研究，结合桥梁设计、监测对风雨激振机理进行更加深入和精细化的研究。

目前的CFD数值模拟中主要集中于绕流现象和涡激振动的研究，风雨激振的数值模拟主要针对固定水线位置的分析，以下问题有待进一步解决：(1) CFD中风雨（气液）两相流对水线形成过程的研究需要进一步探讨；(2) CFD中风雨条件下与斜拉索的耦合振动（气液固三相）问题需要进一步阐述；(3) 风雨激振的轴向流的数值模拟需要进一步实现；(4) CFD中考虑超长跨斜拉索下垂影响，在风速剖面作用下的风雨激振的现象需要进一步解释。

参考文献：

[1] 刘慈军. 斜拉桥拉索风致振动研究[D]. 上海：同济大学，1999.

[2] 陈文礼. 斜拉索风雨激振的试验研究与数值模拟[D]. 黑龙江：哈尔滨工业大学，2009.

[3] 高仕宁. 拉管结构绕流的数值模拟及理论分析[D].大连：大连理工大学，2009.

[4] 陈文礼. 斜拉索风雨激振的试验研究与数值模拟[D]. 黑龙江：哈尔滨工业大学，2009.

雨水工程论文范文第4篇

关键词：基坑放坡；护坡；降雨；稳定性

一、引言

放坡开挖是基坑支护形式的一种，设计简单、造价经济，在天津地区地下建筑工程中得到了广泛的应用。由于用地范围的限制，大部分土方开挖放坡角度较大，在地下水作用下极易造成边坡失稳破坏，目前大多采用放坡作隔水帷幕与坡面护坡配合排降水措施来保证基坑稳定性。边坡护坡有效的防止了施工期间降雨的入渗，但其需在整个放坡范围内进行护坡处理且待施工完成后需拆除护坡，提高了工程造价，造成了建材的浪费。本文在饱和-非饱和理论的基础上，通过工程实例与数值计算，对非护坡处理边坡在降雨条件下强度安全系数的分析，结合天津地区标准地层特点和季度降雨特征，拟总结出各标准地层各季度基坑放坡施工期间边坡护坡的必要性，以达到减少工程造价、缩短工期以及节省建材的目的。

关于降雨造成边坡失稳破坏作用机理的研究从未终止， Iseda和Tanabashi（1986）采用有限元的方法，运用饱和-非饱和渗流理论，对因雨水入渗造成抗剪强度降低的边坡进行稳定性分析，研究高强度降雨条件下边坡的破坏机理。Fredlund（1987）等研究了考虑正负孔隙水压力的边坡稳定性安全系数计算，结果表明：对于浅层滑坡，负孔隙水压力在抗剪强度中起了至关重要的作用。陈守义（1997）、吴宏伟（1999）、陈善雄（2001）通过改变入渗边界条件模拟边坡内部任意时刻含水率分布以及与其相应的瞬态抗剪强度参数分布。得出降雨历时、降雨强度、降雨类型以及土坡性质等影响因素斜坡稳定性的作用。

以往的研究结论为研究基坑边坡稳定性提供了良好的理论基础，本文基于Geostudio计算平台，结合葛沽镇和香河两地区基坑放坡过程中边坡稳定或失稳的实例，寻求天津地区地层受降雨时间影响的一般规律，为今后的护坡设计提供参考。

二、天津地区地层特征与降雨特征

1、天津市区工程地质条件

天津市平原地区地貌属海积～冲积滨海平原，地面大沽高程多在2.5～5.0米之间，西北部地区相对较高，可达5.0～7.0米。地基土层为海陆交互沉积的松散沉积物，可分为人工填土和天然沉积土。

依据《天津市地基土层序划分技术规程》（DB/T29-191-2009），根据地层沉积年代、成因，在基坑放坡开挖深度范围之内（一般

以上6种成因类型土中，第①成因标准层在市区范围内均有分布，主要为杂填土和素填土；第②成因标准层仅在沟、坑、河道范围内有分布，分布区域小；第③成因标准层主要分布于市区西侧、西北以及海河两侧的区域，其中③1、③4为粘性土，③3层淤泥质土工程性质较差，③2层粉土易在地震作用下产生液化；第④成因标准层除西北地区外均有分布，且由西北至东南逐渐变浅，此层上部由有机质黑褐色粘性土覆盖，俗称“老地面”，为此层的特征地层，④1层粘性土呈可塑状态，④2层粉土呈稍密-中密状态，但分布范围较小，第④成因土层因为其良较好的工程性质为浅基础良好的持力层；第⑤成因标准层主要分布于西北区域，上部⑤1层粘性土呈流塑～可塑状态，下部⑤2层淤泥质土呈软塑～流塑状态；第⑥成因标准层在市区范围内均有分布，呈西北薄、东南厚的特点，⑥1、⑥4层粉质粘土呈软塑～流塑状态，⑥2层淤泥质土呈流塑状态，主要分布在市区东南部和南部，为浅基础的软弱下卧层。⑥3层粉土呈稍密～中密状态，分布区域与④2层粉土分布区域相近，均沿东北-西南沿两条带状分布，在地震作用下易产生液化。

根据以上分析，天津市区浅层范围内地层分布主要有以下三种类型：

2、天津市区降雨气象条件

天津市区地处暖温带半湿润大陆季风型气候区，暴雨天气系统比较简单，选取耳闸水文站作为市区暴雨分析的代表站，根据耳闸站气象资料，列举了不同降雨历时、不同概率的暴雨强度如表2：

本文主要研究长历时降雨的影响，根据耳闸站监测资料，可将降雨历时24小时平均雨强作为设计降雨强度，若以重现期5年为标准，长历时暴雨强度设计值为5.5mm/h。

暴雨在时间分布上的不均匀性显著，年内干湿季明显，暴雨主要集中在每年的6～9月份，其中7～8月更是暴雨易发季节，特别是7月下旬～8月上旬为暴雨集中期。暴雨以突发性降雨为主，但也有稳定的、持续的长期降雨，如2012年7～8月份天津市持续降雨超过50小时，创60年来历史新高。

三、基坑放坡数值模拟研究

1、模拟参数选取

依据《天津市地基土层序划分技术规程》（DB/T29-191-2009）以及现场勘察资料，选取广泛分布土层的与土坡稳定性相关的土性参数，整理如下表3：

2、模型的建立与定解条件

Geostudio软件SEEP/W程序和SLOPE/W程序可以分别进行边坡的渗流计算与强度计算，以天津市三种代表地层为基础，验算各基坑放坡在降雨条件下的稳定性。进行渗流计算时以饱和-非饱和渗流理论为基础，引入各类土经验水土特征曲线，由渗流平衡方程可求解任一时刻的压力水头（含水率）分布；进行强度分析时以渗流分析结果为基础，以扩展的摩尔-库伦公式为准则，计算对应时刻边坡的安全系数。

课题采用5米深两级放坡基坑模型，地层分布及参数按照表1、表3设定。对于渗透性较低的坡面土，上部边界采用定流量入渗边界作为其边界条件，取值参考土壤的渗透指标；对于粉土类渗透性较好的坡面土，采用降雨强度值作为其入渗流量。放坡施工前的降水标准一般将水位降低至基坑底面以下1米，可作为数值模拟初始地下水位。模拟降雨时长5day，等分为100个时间段模拟计算。

3、第I类地层土数值模拟结果

第I类土层浅层范围内各层土性良好，本次模拟过程设计了5米深两级放坡模型，坡度分别为1：1.2和1：1.5，影响深度内各土层厚度如表4设定，由于各土层入渗能力偏低，进入边坡内部水分量受剖面控制，与降雨强度无关。本次采用各土层竖直向饱和渗透系数作为定流量边界设计值。

由图1～3模拟结果可知，由于地层土渗透性较差，所以长历时降雨后坡面位置先达到饱和并将饱和区不断向坡内渗透，属活塞式推进类型。在40h降雨入渗与地下水位在坑底区域连通，坑底区域渐渐达到饱和，但坑底以上放坡部分土大多处于未饱和状态。边坡最危滑面位置为深层滑动，随着降雨的进行，坡体的安全系数不断降低并在50h发生陡降，如图4所示：

4、第II类地层土数值模拟结果

市区东南部部分区域浅层含有粉土层，粉土层除受到扰动容易产生液化外，其渗透性也较粘性土高，降雨期间雨水更容易入渗。建模过程中此粉土区域降雨入渗流量以降雨强度为准。影响深度范围内各土层厚度如表5。

由图5～7模拟结果可见，降雨入渗也遵循着由表及里的活塞式渗透规律，但强透水层的存在使得降雨与地下水位连通时间点提前（约8h），降雨5天后放坡部分饱和区域较第I类大，孔隙水压力极值点出现在坡脚区域。图8滑动模拟结果显示边坡安全系数陡降时间点提前至10h。

5、第III类地层土数值模拟结果

市区西部和西北部区域部分土层含有淤泥质层，淤泥质层土性强度差，极易发生边坡失稳，如表6所示。但淤泥质土渗透性质较差，受降雨影响效果偏低。图9～11是此类土层的数值模拟结果。

6、对比分析降雨影响放坡稳定性效果

如前所述，边坡安全系数的降低是由边坡内部孔隙水压力（含水率）的增大引起的，孔隙水压力的变化规律将直接影响边坡的稳定性，图13～14给出了第II类边坡不同位置处孔隙水压力变化情况。

由上图可见，边坡不同位置处孔压变化趋势有很大的不同：坡面处（点A）孔压值匀速增大；斜坡内部（点B）由于无法得到雨水的入渗补充，所以孔隙水压力值保持不变；坡脚处（点C）孔压值不断增大且在某一时刻陡增，是由于坡脚处降雨入渗浸润锋与地下水连通造成的，孔压值的陡增是边坡整体安全系数陡降的直接诱因。

不同的边坡土质其坡面入渗条件以及坡内渗流情况有很大的差异，这势必会造成地下水与入渗水连通时刻的不统一：对于含粉土层的边坡，其坡面入渗条件好，雨水更为顺畅的入渗使得第II类边坡较早的发生孔压剧增；对于含淤泥层边坡，由于淤泥层的不透水性，使得雨水排出通道的阻塞从而利于坡内雨水的储存，亦会在较早时刻实现与地下水位的连通；对于第I类边坡，其入渗量小，渗流排出速度快，相较于其他两类土孔压变化速率更为缓慢。三类土位置C处孔压变化曲线如下图15所示。

由上述分析以及三类土孔压值、安全系数F值的变化规律可知，含粉土层第II类边坡极易受降雨影响而发生破坏，第III类次之，第I类最稳定。雨季施工过程中，必须对第II、III类尤其是第III类地层放坡做护坡处理。

四、放坡受降雨影响工程实例

本节内容分别选取了天津津南区与河东区放坡开挖实际工程实例，借以说明粉土层边坡稳定性对降雨的敏感度以及护坡的重要性。

1、基坑放坡有护坡处理实例

津南区葛沽镇基坑放坡开挖，本工程大范围基坑深度不超过5m，分两级放坡；第一级坑深2米，坡度系数1.2；平台宽2米；第二级坑深2.85米，坡度系数1.5。场地坑深范围内分布有淤泥质土层，透水性较差，周边场地条件较开阔，故采用放坡采用结合大口井外降水方案。根据勘察报告，土层分布情况如表7：

从勘察报告可知，放坡开挖影响地层范围内包括⑥3粉土层，由数值模拟结论可知含粉土层区域稳定性容易受降雨影响。在放坡设计过程中，如图8所示，为消除降雨的影响，在放坡部分和基坑底部均有50mm厚的网喷混凝土护坡，此举大大加强了雨季施工的安全性，施工期间未发生渗水、失稳等突发状况。下图16为现场边坡护坡处理施工效果图。

2、未网喷混凝土坡脚侵蚀实例

河北区香兰嘉园项目基坑支护设计，基坑开挖7.5米，分两级开挖，第一级坡高3.75米，坡度系数1.0；平台宽2.0米；第二级坡高3.75米，坡度系数1.0；修建区域穿越东南区粉土层带，开挖深度范围内含④2、⑥3粉土层且厚度较大，各土层厚度分布如下表8所示：

此工程坡度系数大，且在4.4～9.4米深度范围内含有很厚的粉土层，遇到降雨情况极易发生强度陡降甚至发生破坏。本工程放坡部分夏季施工期间没有采用护坡处理，施工时遇到降雨，由于雨水的坡面冲刷与坡内渗透作用，部分坡面坡脚被侵蚀严重，严重影响了边坡的稳定性，如图17所示，施工期间采用了应急处理才防止了事故的发生。为防止类似事件，对含粉土层较厚的边坡必须做护坡处理。

四、结论与建议

1、天津市区范围内浅层土层可分为三种基本类型：市区东南部第I类土浅层土土性良好，以微透水或不透水的粉质黏土层为主；市区东南部地区含有两条粉土层带，此区域第II类浅层土土以粉质粘土与粉土互层为特征；市区西北部以及天津滨海区第III类土成因与东南部区域大相径庭，古河道堆积普遍，浅层含有淤泥层，基坑开挖安全系数极低。天津市区降雨主要集中在6～9月，常见持续24小时以上降雨强度约5.5mm/h。

2、通过数值模拟结果可知，边坡在降雨过程中坡面不同位置处孔隙水压力变化呈现不同的特征，坡脚及坑底处孔压值由于入渗雨水与坑底地下水的连通会出现陡增时刻，造成边坡整体安全系数急剧降低。模拟结果显示三类土安全系数陡降时间点并不统一：第I类土在50h左右，第III类土在20h左右，第II类土在8h左右。

3、由模拟结果可知，降雨发生后坡脚部分与基坑底部首先连通而达到饱和，饱和区域土体易收到扰动而发生破坏，因此放坡后可在坡脚部分设置抗滑结构或内部排水设备。对于第II、III类土坡必须进行护坡处理。

4、本文主要讨论了降雨历时对放坡的影响，但不能忽视高雨强、短历时暴雨的作用，此类降雨会造成坡面冲刷严重从而改变坡面渗透性与结构性，造成雨水入渗的增大或直接破坏坡面结构，工程中应采用适当的水土保持措施。

参考文献

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[3] 弗雷德隆德.D.G；拉哈尔佐.H.非饱和土土力学[M].陈仲颐等译.北京：中国建筑工业出版社，1997.

[4] 陈守义. 考虑入渗和蒸发影响的土坡稳定性分析方法[J]. 岩土力学， 1997， 18（2）： 8-12.

[5] 吴宏伟， 陈守义. 雨水入渗非饱和土坡稳定性影响的参数研究[J]. 岩土力学， 1999， 20（1）： 1-14.

[6] 陈善雄， 陈守义. 考虑降雨的非饱和土边坡稳定性分析方法[J]. 岩土力学， 2001， 22（4）： 447-450.

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[9] DB29-191-2009《天津市地基土层序划分技术规程》

作者简介：

刘秀凤，女，天津市勘察院岩土设计公司中级工程师，职务：公司总工。

雨水工程论文范文第5篇

关键词：建筑；施工；质量；控制；雨季；混凝土

中图分类号： O213.1 文献标识码： A 文章编号：

雨季到来的时候给建筑施工带来了不少麻烦，其中对混凝土浇筑产生的影响尤为明显，建筑方面的专家通过研究得出了一些解决方案，使工程质量得到了有效的保证。夏季来临，气温升高，混凝土的入模温度不再是控制重点(大体积混凝土除外)，但随着降雨的频繁发生和降雨量的增大，混凝土的生产和浇筑过程的难度增大。稍不注意便容易引起混凝土工程的质量和外观方面的问题。下面结合在实际工作中的经验对此略作探讨。

1 降雨对混凝土浇筑生产过程的影响

一般的商品混凝土公司的骨料多数露天存放，降雨常使露天堆放的骨料含水量大增。特别是砂子，变化最多。若仍沿用原混凝土配合比，计量称重下料时可能出现砂率变小、水灰比增大等混凝土配合比紊乱现象，这将导致混凝土出现离析、泌水、强度下降和强度数值离散变大的不良后果发生。针对上述特点，及时地根据骨料的含水量，随时调整砂率和用水量便成为解决这一问题的有效措施。虽然有的混凝土生产设备拥有自动的骨料含水测试功能，但由于降雨的过程并不稳定，也常常让设备自动调整的反应变慢(主要是传感器被泥沙包裹所致)，因此，降雨时人工目测混凝土的状态，并随时人为进行混凝土生产配合比的调整便是最为简洁有效的过程质量控制手段。

2 降雨对混凝土浇筑产生的影响

混凝土表面水泥浆流失，雨中浇筑混凝土，混凝土在运输和振捣时由于雨水流人，使水泥浆随雨水流失，骨料，产生混凝土离折；且振捣后的混凝土，迎雨面的水泥浆破冲刷流失；前者可能引起孔洞，后者可能出现麻面。由此，经常发生的问题如下：

2.1 滞留雨水未排尽，混凝土产生孔洞、露筋。混凝土浇筑现场如果排水不畅，一些低洼处的模板可能积水，导致混凝土产生孔洞、露筋等，例如底层电梯基坑、集水井、核心筒剪力墙根部等。

2.2 雨中操作困难，降雨过程中，露天作业的工人雨水淋身，视线不清。脚底滑溜。容易发生高处坠落事故，平时的要求难以执行，混凝土不密实。影响混凝土强度、抗渗性和耐久性。

3 针对雨季混凝土施工特点制定施工质量控制措施

3.1事前计划

3.1.1进度安排。在总施工进度计划上，应注意安排基础分部工程在雨期来临之前完成。以防止出现雨期在基坑内施工，及早消除基坑边坡淋雨滑坡的可能。在主体混凝土工程进入雨期时。应密切注意天气预报。根据气象台预报安排近期工作，做到有中雨、大雨不安排混凝土浇筑。

3.1.2物资准备。多雨季节应将防雨用品运到混凝土浇筑现场，雨衣、雨鞋发给工人，机械设备进行防雨遮盖，同时派专人进行检查。

3.1.3技术措施。技术人员应编制雨期混凝土浇筑措施，对施工操作人员进行详细交底，并监督其认真贯彻执行。

3.2 事中控制。混凝土浇筑过程中，管理人员应跟班旁站。当有雨来临时。应对以下内容进行检查。

3.2.1 现场是否备有充足的防雨布。已浇筑好的混凝土混凝土表面是否已及时覆盖。

3.2.2 雨量过大应立即停止混凝土施工，大雨持续时间如果过长，应做好施工缝处理。

3.2.3 雨量如果不大，可继续施工，要求搅拌站降低混凝土拌和物的坍落度，并延长每罐的搅拌时间，一般每罐混凝土可延长 30s。混凝土浇筑时，每次的浇筑宽度不宜超过 1.5m ，同时增加振捣次数。

3.2.4 定时定量测定混凝土拌和物的坍落度和砂子的含水率，及时调整配合比。运用动态控制方法，对雨中浇筑混凝土。要求试验员定时定量测定混凝土拌和物坍落度和砂子的含水率。搅拌站根据新的砂子含水率，调整原配合比中砂子的重量和水的用量，并调整混凝土拌和物坍落度。

3.3 事后处理

3.3.1 检查已浇筑的混凝土，看混凝土表面有无雨水冲刷跑浆现象。

3.3.2 模板拆除后，检查有无麻面、孔洞、露筋等，如果有应查找原因，及时提出处理方案。

3.3.3 做好记录，对出现的问题逐一汇总研究，总结经验，杜绝再次出现。

4 雨季施工措施

4.1 根据规划好的施工现场总平面布置图完善排水设施，主要施工通道边侧的排水沟应畅通。

4.2 保证场内交通道路的完好，设专人负责排除道边及路口积水，保证雨后能及时排除场地内积水，暂无条件硬化的区段，用碎石碾压平实。在场地周围设置必要的截水沟、排水沟，尽量用原有的排水系统，并进行必要的整修、疏导，做到场地排水畅通。

4.3基坑边缘做好围堰，防止地表水流入基坑。在基坑周边设排水沟及若干集水坑，再用潜水泵抽到城市排水系统。潜水泵、排水管及电线要备足，同时安排好值班人员。对基坑边坡采取彩条布覆盖，防止雨水冲刷，造成坍方，必要时打钢管支撑进行支护。

4.4基坑边的回填用土要用彩条布覆盖，防止下雨时淋湿，影响回填工作。回填土含水量大时及时晾晒，雨天过后，回填土表面稀泥部分铲除重新回填。

4.5钢筋作业要搭设防雨棚，焊接接头未冷却之前，严禁雨水冲刷，避免发生脆断。在大、中雨天时，严禁进行焊接施工，在细雨天时，焊接施工现场要搭设简易雨棚遮避防护。

4.6 所有原材料，特别是钢材、水泥和机械设备，都要有防雨措施，水泥存放要在有防潮的库房内，以免影响工程质量和造成不应有的损失。钢筋堆放要采取措施，防止泥浆污染。

结束语

随着我国经济的发展，建筑行业已经发展到了鼎盛时期，各地的房地产开发和公共设施的修建都在如火如荼的进行着，先进的科学技术的应用使建筑行业的一些困难得以解决。当前全球变暖，气候灾害经常发生，经常出现大雨连续侵袭数日的现象，特别是在我国南方，雨季到来的时候给建筑施工带来了不少麻烦，其中对混凝土浇筑产生的影响尤为明显，建筑方面的专家通过研究得出了一些解决方案，使工程质量得到了有效的保证。随着社会的发展，建筑施工过程中的分工越来越细，从事各阶段工作的人员的专业化程度越来越高，但是这种分工容易造成一些认识的樊篱，反而对工程整体质量控制无益。因此，打破行业的樊篱，以保证工程的整体质量为根本目的．混凝土生产企业和混凝土使用企业要加强沟通，在平等互利的基础上共同完成混凝土工程的质量控制。

参考文献

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