一种双墩柱局部冲刷特性的确定方法

摘要

本发明提供了一种双墩柱局部冲刷特性的确定方法，在可变坡循环玻璃水槽中进行简化模型试验，通过改变上下游墩柱间距及水流条件设置试验工况，以上下游墩柱局部冲刷坑深度为特征参量，分析不同间距条件下冲坑深度~水流强度的关系与单墩柱条件下的区别，进而具体分析上下游墩柱局部冲刷特性，结果表明，上游墩柱与单一墩柱规律相同，下游墩柱冲刷特性则划分为床面平整、同步冲刷、偏离过渡和完全偏离四个区。本发明通过水槽模型试验获得上下游桥墩冲坑深度随水流条件的变化规律，为桥梁的合理规划布置提供了依据，可以减轻桥墩冲刷破坏并缓解城市防洪等的压力，同时为进行桥梁等涉河工程群累积影响评估提供理论参考。

说明书

技术领域

本发明属于涉河工程技术领域，涉及桥墩冲刷问题，具体涉及一种双墩柱局部冲刷特性的确定方法。

背景技术

天然河道中桥梁的兴建必然导致桥墩附近水沙状况的变化。墩前向下水流、墩侧马蹄涡及墩后尾涡等水流结构的出现，使墩柱周围床面出现相应调整从而形成冲刷坑，危及建筑物自身的稳定和安全，并对附近河段的河势产生影响，因此桥墩冲刷在工程实践中受到特别的重视。随着近年来社会经济的发展，河流上的桥梁数量不断增多，在城市河段更为密集，使得在水沙特性变化的问题上，桥梁之间的累积影响日益凸显，这对城市防洪安全、航运问题、桥梁自身安全等都形成新的威胁。由于在以往研究中研究对象多为单个桥墩或单座桥梁，对于桥梁群的相关研究亟待展开，就桥墩冲刷问题而言，在桥梁群条件下必定表现出与单个桥墩或单座桥梁迥异的特性，因此需要予以确定。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种双墩柱局部冲刷特性的确定方法，为桥梁群的合理规划及优化布置提供参考，并为揭示涉河工程群累积影响提供依据。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供的一种双墩柱局部冲刷特性的确定方法，在可变坡循环玻璃水槽中进行简化模型试验，通过改变上下游墩柱间距及水流条件设置试验工况，以上下游墩柱局部冲刷坑深度为特征参量，分析不同间距条件下冲坑深度～水流强度的关系与单墩柱条件下的区别，进而具体分析上下游墩柱冲刷特性。

具体地，将不同墩间距条件下冲坑相对深度与相对流速的试验数据绘制于同一图中，根据试验点与单墩柱冲刷规律偏离程度间的不同进行分区：

1)床面平整区：整个床面均无冲坑形成。

2)同步冲刷区：上下游墩柱同时开始形成冲坑，且符合单一墩柱冲刷特性，这时上下游墩柱的冲刷特性均可由下式描述：

$>\frac{d_s}{D}=2.865\frac{U}{U_C}-1.332$>

式中，d_s为冲刷坑深度，D为桥墩墩径，u为来流垂线平均流速，U_c为泥沙起动流速；

3)偏离过渡区：下游墩柱冲坑深度小于相同水流条件下单墩柱冲坑的深度；过渡区范围随着间距的增大先增大后减小，在本次试验中当墩间距为3倍墩径时达到最大。

4)完全偏离区：下游墩柱冲刷特性重新回归到线性规律，且其点据分布与公式(1)的直线呈平行关系，这时下游墩柱的冲刷特性可由下式表示：

$>\frac{d_s}{D}=2.865\frac{U}{U_C}-A$>

其中常数A与墩间距相关。

具体地，采用外贴刻度纸的光滑透明圆柱形有机玻璃管模拟桥墩墩柱，将粒径均匀的石英砂平铺形成床面，铺砂段的两端分别设置水流渐变导板和床沙挡板，通过水泵、闸门及底坡的调节在水槽内获得恒定均匀流，用超声波流量计测量流量Q，用声学多普勒流速仪测量垂线平均流速u，通过桥墩处床面对应刻度的变化测量冲刷坑的深度。

具体地，所述变坡循环玻璃水槽长12m，宽0.42m，高0.7m，其试验段长6m设置在水槽中部；所述有机玻璃管高70cm，外径6cm，外贴刻度纸最小刻度为1mm；所述床面的石英砂粒径为0.70mm，密度为ρ_s＝2.64g/cm³，铺沙厚度为15cm，每次试验前床面均重新铺平；试验水深h选择12cm和15cm两种，桥墩间距d选取0～15倍墩径，共进行试验141组。

具体地，所述每组试验开始前通过水泵预先小流量注入水体，以润湿泥沙并保护床面初始形态，然后通过水泵、闸门及底坡的调节获得恒定均匀流；每组试验持续冲刷至少5个小时，认为冲刷达到平衡。

具体地所述超声波流量计测量误差小于5％，所述声学多普勒流速仪在距离水面0.63h处测量平均流速

有益效果：相比现有技术，本发明的有点和有益效果为：

1.通过水槽模型试验，确定了双墩柱条件下上下游墩柱局部冲刷特性与单墩柱之间的差异，尤其对下游墩柱附近的冲刷过程进行分区。结果表明，上游墩柱冲刷特性与单一墩柱基本吻合，而下游墩柱冲刷特性则因上游墩柱的影响而存在明显的差异，根据其与单一墩柱冲刷规律的偏离程度，将下游墩柱冲刷特性划分为床面平整、同步冲刷、偏离过渡和完全偏离四个区。

2.为进行桥梁等涉河工程群累积影响评估提供理论参考，为当前河流上日益增多的桥梁的合理规划布置提供了依据，从而减轻桥墩冲刷破坏并缓解城市防洪等的压力。

除了以上所述的本发明解决的技术问题、构成技术方案的技术特征以及由这些技术方案的技术特征所带来的优点外，本发明的一种双墩柱局部冲刷特性的确定方法所能解决的其他技术问题、技术方案中包含的其他技术特征以及这些技术特征带来的优点，将结合附图做出进一步详细的说明。

附图说明

图1是本发明实施例水槽试验段的主视图；

图2是图1的俯视图；

图3为单个桥墩及双墩间距为0时的冲刷特性；

图4为水深12cm双墩柱条件时上游墩柱冲刷特性；

图5为水深15cm双墩柱条件时上游墩柱冲刷特性；

图6为墩间距d＝1～3D双墩柱条件时下游墩柱冲刷特性；

图7为墩间距d＝3～15D双墩柱条件时下游墩柱冲刷特性；

图中，1水槽，2墩柱，3床面，4水流渐变导板，5床沙挡板。

具体实施方式

实施例：

本实施例的水槽模型试验装置如图1和图2所示，采用变坡循环玻璃水槽。其中水槽1长12m，宽0.42m，高0.7m，试验段长6m；桥墩的墩柱2采用光滑透明的圆柱形有机玻璃管进行模拟，管高70cm，外径6cm，外贴刻度纸最小刻度为1mm；床面3采用粒径为0.70mm的均匀石英砂平铺而成，石英砂密度为ρ_s＝2.64g/cm³，铺沙厚度为15cm，铺沙段前后两端分别设置水流渐变导板4和床沙挡板5，每次试验前床面3均重新铺平。

试验水深h选择12cm和15cm两种，上下游桥墩间距d选取0～15倍杆径，共进行141组试验，工况参数如表1所示。每组试验开始时，为防止试验初期水流破坏床面的平整形态，在试验开始前通过水泵预先向水槽内缓慢注入小流量水体，达到润湿泥沙并保护床面初始形态的目的。之后通过水泵、闸门及底坡的调节获得恒定均匀流；每组试验持续冲刷5个小时，冲刷近似达到平衡；试验中流量Q用超声波流量计进行测定，测量误差小于5％，垂线平均流速u采用声学多普勒流速仪(ADV)在距离水面0.63h处测量获得。形成冲刷坑后，通过桥墩处床面对应刻度的变化进行冲刷坑深度的测量。

为了分析双墩柱条件下上下游桥墩局部冲刷特性与单墩柱冲刷特性的差异，首先通过单墩柱试验验证试验系统的可靠性，然后对双墩柱情况按照不同墩间距进行试验，分别观测上下游墩柱的局部冲刷情况，分析其与单墩柱的差异。

单一墩柱的冲刷特性实验验证试验系统合理性的结果如图3所示，可见单一墩柱冲刷特性与经典成果Yee-Meng Chiew公式吻合较好，其具体形式如式(1)所示，需要说明的是由于这里采用的是石英砂而非天然沙，泥沙的物理特性不同，此处公式(1)中的系数比Yee-Meng Chiew提出的公式系数偏小。

$>\frac{d_s}{D}=2.865\frac{U}{U_C}-1.332---\left(1\right)$>

其中d_s为冲刷坑深度，D为桥墩墩径；u为来流垂线平均流速，u_c为传统定义的清水冲刷到动床冲刷的临界值，即泥沙起动流速，此处采用沙莫夫公式进行计算，具体形式如下：

$>U_c=1.14\sqrt{\mathrm{gh}\frac{{\gamma }_s-\gamma }{\gamma }}{\left(\frac{d_g}{h}\right)}^{1/6}---\left(2\right)$>

其中γ_s为泥沙重度，γ为水的重度，g为重力加速度，d_g为泥沙粒径，h为水深。本次试验不同水深对应的泥沙起动流速U_c分别为28.01cm/s及29.21cm/s。

如图4和图5所示，对于双墩柱条件，当墩间距为0时，本质上是一个墩柱，只是墩柱形状不同，其冲刷特性与单一圆柱形墩柱相差不多。随着两墩间距逐渐增加，上游墩柱冲坑相对深度随相对流速的散点分布与单一墩柱冲刷曲线吻合较好，说明下游墩柱的存在并不会对上游墩柱的冲刷特性形成明显的影响。

如图6和图7所示，对于下游墩柱，由于上游墩柱的存在导致其来流条件发生明显变化，在不同的墩间距及水流强度条件下，上游墩柱所形成的马蹄涡及卡门尾涡与下游墩柱周围的水流形成不同程度的叠加，使得下游墩柱局部冲刷特性表现出与单一墩柱存在明显差异。对于某一墩间距，随着水流条件的加强，可将下游墩柱冲刷特性划分为4个阶段：

1)床面平整阶段：整个床面均无冲坑形成。

2)同步冲刷阶段：上下游墩柱同时开始形成冲坑，且符合单一墩柱冲刷特性，此时下游墩柱冲刷特性可由公式(1)描述。

3)偏离过渡阶段：由于上游墩坑泥沙的补给，下游墩柱冲坑深度小于相同水流条件下单墩柱冲坑的深度；这一阶段的范围随着间距的增大先增大后减小，在本次试验中当墩间距为3倍墩径时达到最大。

4)完全偏离阶段：下游墩柱冲刷特性重新回归到线性规律，且其点据分布与公式(1)的直线呈平行关系，这时下游墩柱的冲刷特性可由下式表示：

$>\frac{d_s}{D}=2.865\frac{U}{U_C}-A---\left(3\right)$>

其中常数A与墩间距有关。

将不同墩间距条件下实验数据绘制在同一张图上，即可按照上述阶段划分的原则将墩柱冲刷特性划分为图7中的三个阶段：同步冲刷阶段、偏离过渡阶段及完全偏离阶段。

表1

以上结合附图对本发明的实施方式做出详细说明，但本发明不局限于所描述的实施方式。对本领域的普通技术人员而言，在本发明的原理和技术思想的范围内，对这些实施方式进行实施方式进行多种变化、修改、替换和变形仍落入本发明的保护范围内。