砂质河道桥墩局部冲刷计算经验公式改进和验证_陈羿名.pdf
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1、收稿日期:;修回日期:基金项目:国家自然科学基金长江水科学研究联合基金项目();国家自然科学基金青年项目(,);长江科学院创新团队资助项目()作者简介:陈羿名(),男,湖北荆门人,助理工程师,硕士,主要研究方向为水力学及河流动力学。:通信作者:渠 庚(),男,江苏徐州人,正高级工程师,博士,主要研究方向为水力学及河流动力学。:,():砂质河道桥墩局部冲刷计算经验公式改进和验证陈羿名,李 怡,渠 庚,栾华龙,尹大聪(长江科学院 河流研究所,武汉;长江水利委员会河湖保护与建设运行安全中心,武汉;长江科学院 水利部长江中下游河湖治理与防洪重点实验,武汉)摘 要:桥墩局部冲刷深度是桥梁设计的重要参数,
2、但随着造桥技术的发展,桥墩局部冲刷计算的经验公式在计算尺寸较大的桥墩局部冲深时误差偏大。为解决此问题,在前人的研究基础上,根据统一量纲的原则建立了砂质河道桥墩局部冲刷深度经验公式,并考虑基台露出床面对冲刷的影响,对公式进行修正。将文中提出的公式与中美计算规范进行比较,结果表明:所提出的公式具有考虑因素较全面、量纲统一、适用于大型桥墩局部冲刷深度计算的优点;计算精度相比另外 种公式有较明显的提高,能更好地预测桥墩局部冲刷深度。研究成果可为桥墩布设、施工与防护等提供技术支撑。关键词:桥墩冲刷;冲刷机理;局部冲深;经验公式;公式改进;行近流速中图分类号:文献标志码:文章编号:(),(,;,;,):,
3、:;研究背景在天然河道上修建桥墩后,由于过水断面减小,流速增大,桥位断面河床易发生冲刷,桥墩的存在使桥址附近水域发生一般性冲刷的同时,桥墩的阻水作用会导致墩周形成明显的局部冲刷。河床的冲刷会减小桥墩结构的基础埋深,降低桥墩承载能力,最终 第 卷 第 期长 江 科 学 院 院 报 年 月 可能造成桥梁的破坏。据不完全统计,由于桥墩冲刷导致损毁的数量约占桥梁自然破坏数的,而桥墩局部冲刷深度有可能达到一般冲刷或自然冲刷深度的 倍以上。针对桥墩局部冲刷问题,国内外不少学者做出了大量的研究,目前的研究手段主要包括原型观测、模型试验以及理论研究。其中,理论研究主要是通过影响因素分析及因次分析建立桥墩局部冲
4、刷公式,再结合现场观测资料和模型试验资料的分析确定相关参数。前人研究中得出了不少经验公式,并被相关规范、标准采纳,目前使用最为广泛的桥墩局部冲深计算公式为美国公路桥梁设计规范()推荐的 公式(公式),以及我国规范()中节中的 式及 修正式。随着造桥技术的不断发展,桥墩的宽度越来越大,许多学者发现旧的规范对于计算一些大型桥墩的局部冲深误差较大。等经过研究发现,美国规范采用的 公式,对于宽墩型桥梁,预测深度比实际要大;等设计了 组冲刷试验,其中 公式计算值有 超过了实测值;梁发云等经过试验研究发现,美国规范和中国规范的计算结果均随着基础尺寸的增大而迅速增大。为了适应桥梁工程技术的发展,提高大尺寸桥
5、墩局部冲刷深度计算精度,本文通过量纲分析的方法,探讨桥墩局部冲刷机理,结合工作中遇到的实测桥墩冲刷坑以及模型试验冲刷坑,建立砂质河道桥墩局部冲刷深度经验公式,并与中美计算规范进行对比分析。冲刷坑尾流旋涡桥墩河床尾流旋涡下降水流涌波桥墩马蹄形旋涡图 桥墩附近水流结构示意图 桥墩局部冲刷机理 桥墩附近水流结构依据桥墩附近水流结构可将水流分为 部分:水面处的水流受到桥墩的阻力向上壅高,形成墩前涌波;河床附近倍行近水深的水流将直接参与冲刷;中间部分的水流绕桥墩而过,虽然不直接参与冲刷过程,但产生向下的压力坡度形成下降水流,撞击床面造成冲刷,墩周水流结构如图 所示。桥墩局部冲刷影响因素影响桥墩局部冲刷的
6、因素有很多,为了研究桥墩局部冲刷深度经验公式,可以将影响桥墩局部冲刷的主要因素归纳为水流、泥沙和桥墩因素。行近流速行近流速是指桥墩上游不远处,水流未受桥墩影响的天然流速。当行近流速超过某临界值,便会出现沙波,当沙波进入冲刷坑时会对冲刷深度产生较大的影响。行近水深 等认为,行近水深越大,墩周水流的冲刷作用越强烈,桥墩局部冲刷深度与行近水深呈正相关。泥沙起动流速泥沙起动流速是河床泥沙在水流作用下失去稳定,开始运动时水流的平均流速。当桥墩附近的产生的旋涡最大流速超过泥沙起动流速时,桥墩发生冲刷。泥沙起动流速与水和沙的重度、水深以及泥沙粒径有关。床面泥沙特性床沙的粒径大小、级配情况和粗糙程度都对桥墩局
7、部冲刷产生影响。可根据床面泥沙特性将河床分为黏性土河床和砂质河床。河床类型不同,桥墩的局部冲刷也有显著的差异。砾质河床由非黏性颗粒组成,床沙的运动主要受重力影响,黏性土河床则主要受土体黏性力影响。而砂质河床床沙的运动会同时受到重力和泥沙黏性力的影响。桥墩尺寸与形状桥墩的尺寸与形状会直接影响马蹄形旋涡的强度与形状,从而影响桥墩的局部冲刷。棱柱型桥墩周围的马蹄形旋涡强度与桥墩雷诺数成正比;流线型桥墩走向与水流方向一致时冲刷深度最小,此时可认为桥墩长度对冲刷深度没有影响。对非棱柱形桥墩,棱台型桥墩及扩大基础桥墩的平衡冲刷深度小于棱柱形桥墩的平衡局部冲刷深度。对于桩基桥墩,需考虑墩身、承台及桩基三者组
8、合产生的冲刷量。桥墩局部冲刷计算经验公式的建立 砂质河床中桥墩冲刷,有因桥墩束水引起的河床一般性冲刷和因桥墩阻水引起的局部冲刷。桥墩阻水引起的局部冲刷在河床地质一定的条件下,主要与桥墩结构尺寸与形状、水流流速、泥沙起动流速 第 期陈羿名 等 砂质河道桥墩局部冲刷计算经验公式改进和验证(考虑水和沙的重度、中值粒径)、行近水深和重力加速度有关。从而可以用函数()对砂质河道桥墩局部冲刷问题进行描述,即,()。()式中:为冲深;为桥墩宽;为行近水深;为行近流速;为泥沙起动流速,|;为系数;、分别为泥沙和水的重度;为泥沙中值粒径;为重力加速度。按照量纲分析的基本方法,选取 和()为基本量,对其他因子无量
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