環(huán)翼式橋墩最優(yōu)擋板形狀試驗

陳艷梅,牟獻友,成蘭艷,張志澍

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學水利與土木建筑工程學院,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018; 2.巴彥淖爾市臨河區(qū)水務局,內(nèi)蒙古 巴彥淖爾 015000)

我國河流眾多,流域面積大于100 km2的有5萬多條,大于1 000 km2的有1 500多條[1]。在河流治理中,泥沙問題增加了河流整治的危害性和復雜性。水流、泥沙和河床邊界三者共同影響河流的變化規(guī)律。河道中橋墩的沖刷包括自然演變沖刷、一般沖刷和局部沖刷[2]。橋墩附近水流與泥沙相互作用,河床不斷被沖刷與推變,由此構(gòu)成了河床的自然演變沖刷[3]；設置橋墩后,通過橋孔的急流被橋墩壓縮引起過流流速增大,水流挾沙力也增大,水流沖刷橋墩上下游河床的泥沙,形成橋墩附近河床面的沖刷,稱為一般沖刷[4]；由于橋墩阻流產(chǎn)生的水流沖擊和漩渦流作用,在橋墩周圍形成了局部河床變形,稱為橋墩的局部沖刷[5]。橋墩的最大沖刷深度[6]是在假定這3種沖刷相繼發(fā)生的基礎(chǔ)上,3種沖刷疊加之后的結(jié)果。

近年來,隨著跨江大橋的建設,由橋梁失穩(wěn)帶來的災害越來越多,在引起橋梁失穩(wěn)的眾多因素中,橋墩局部沖刷是主要原因。另外,在橋墩基礎(chǔ)施工過程中,施工圍堰周圍也會發(fā)生沖刷,其沖刷現(xiàn)象類似于橋墩附近的沖刷[7]。研究橋墩局部沖刷具有重要的現(xiàn)實意義,如陜西省戶縣橫跨灃河的東西大橋,3根橋柱周邊被水流沖擊得傷痕累累,1個橋墩開始傾斜,橋墩下部混凝土構(gòu)造物經(jīng)水沖刷裸露出一個個編織袋；位于甘肅省天?？h的華干路大橋突然垮塌,造成經(jīng)濟損失約300萬元,調(diào)查發(fā)現(xiàn)大橋上下游的采砂廠在大橋上下河床采砂,造成河床下降,橋墩基礎(chǔ)外露達1 m多,橋墩基礎(chǔ)被洪水沖刷成空洞。張萬鋒等[8]初步研究了不同數(shù)量擋板組成的環(huán)翼式橋墩的防沖效果,認為擋板數(shù)量對橋墩局部沖刷的影響并不大。成蘭艷等[9-10]研究了環(huán)翼式橋墩單一擋板的防沖效果,確定了環(huán)翼式擋板的最佳位置和最佳尺寸。本文在上述基礎(chǔ)上研究環(huán)翼式橋墩不同擋板形狀的防沖效果并確定了最優(yōu)擋板形狀。

1 試驗原理與內(nèi)容

1.1 試驗原理

沖刷的問題最終都可歸結(jié)為水、沙相互作用的問題。局部沖刷由橋墩周圍的紊流漩渦(馬蹄形漩渦)引起。橋墩處水流主要包括下潛水流、墩前涌流、墩基沖擊水流、墩后上沖水流、墩后尾漩渦水流，其中下潛水流在沖刷時占主導作用,也是沖刷的主要原因[9]。環(huán)翼式擋板可阻擋下潛水流,改變其大小和方向,迫使下潛水流向兩側(cè)分流,從而減小水流對橋墩的沖刷能量,削弱漩渦淘蝕,起到防護的作用[10]。本文根據(jù)上述原理,通過改變下潛水流達到防護局部沖刷的目的。

1.2 試驗內(nèi)容

模型試驗時,測量了環(huán)翼式橋墩不同流量、不同擋板形狀共12個工況下各測點的三維瞬時流速及沖坑深度,研究了擋板形狀對最大沖坑深度的影響以及橋墩周圍時均流速和紊動強度的變化規(guī)律,在此基礎(chǔ)上確定環(huán)翼式擋板的最優(yōu)形狀。

2 試驗裝置及試驗方案

2.1 試驗材料及裝置

試驗在內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學水利水電實驗室完成。試驗中使用的動床材料為均勻沙,平均粒徑為0.55 mm,橋墩模型由PVC飲水管制成,擋板用PVC板制作,3種規(guī)格的半圓形擋板分別用N1、N2和N3表示,擋板內(nèi)徑均為45 mm,板前端寬度均為45 mm,板尾端寬度分別為45 mm、23 mm和0 mm,見圖1。

圖1 環(huán)翼式橋墩外形設計參數(shù)(單位: mm)

試驗水槽為2 000 cm×50 cm×90 cm(長×寬×高)的玻璃水槽,底坡坡降為0.124%,試驗時水溫為18～20℃,水的密度為998.255 kg/m3,運動黏滯系數(shù)為1.046 6×10-6m2/s。橋墩所在的沖刷段鋪沙長度為500 cm,厚度為21 cm。每次試驗前將沙床面鋪平,并放水浸泡2 h直至沖刷穩(wěn)定,以此來提高試驗數(shù)據(jù)的準確性。試驗時,流量采用IFM4080K型電磁流量計測量,通過上游的流量調(diào)節(jié)閥控制流量,通過下游的閘門控制水深,水位采用JS-B型精密水位儀測量,流速采用小威龍Vertric+型流速儀測量。試驗系統(tǒng)布置同文獻[9]。

2.2 試驗方案

本試驗分別采用70 m3/s、90 m3/s和110 m3/s3種流速以及無擋板和N1擋板、N2擋板、N3擋板這4種情況兩兩組合為12個工況,每個工況水深均為12 cm。試驗各斷面測點布置同文獻[9],即每個工況4個斷面,每個斷面有7條測線,每條測線布置5個測點,共140個測點，見圖2。測量不同工況下各測點的三維瞬時流速及沖坑深度。將3種擋板形狀的測量結(jié)果與無擋板時的結(jié)果進行比較,研究橋墩周圍時均流速的變化規(guī)律及擋板形狀對沖坑深度和橋墩局部沖刷的影響。

圖2 各斷面測點布置示意圖(單位：mm)

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 擋板形狀對沖坑深度的影響

環(huán)翼式擋板延伸長度為45 mm,擋板位置定在水深的1/3處,研究N1、N2、N3這3種擋板在不同流量下橋墩的最大沖刷深度。本試驗測得的最大沖坑深度(也就是前文提及的最大沖刷深度),是自然演變沖刷、一般沖刷、局部沖刷疊加的結(jié)果,是沖坑最深處到最初沙床面的距離。

表1為不同流量、不同擋板形狀時的最大沖坑深度。由表1可以得出:①與無擋板相比,無論哪種形狀,有擋板時的最大沖坑深度都明顯減小。②當流量為70 m3/h時,3種擋板形狀下的最大沖坑深度與無擋板相比平均減小率為51.5%;當流量為90 m3/h時,與無擋板相比平均減小率為50.5%;當流量為110 m3/h時,與無擋板相比平均減小率為45.0%。③當流量為70 m3/h、90 m3/h和110 m3/h時,均是N1擋板的最大沖坑深度最小,表明N1擋板減小最大沖坑深度的效果最優(yōu)。④最大沖坑深度隨環(huán)翼式擋板側(cè)面延伸長度的減小而增大。 在實際工程中,為達到節(jié)省材料、減少投資的目的,可以僅在橋墩迎水面增加環(huán)翼式擋板。

表1 不同流量、不同擋板形狀時的最大沖坑深度

3.2 擋板形狀對流速分布的影響

橋梁建成后,除了河床的自然演變,橋墩干擾水流和泥沙運動引起的一般沖刷和局部沖刷交織在一起,沖刷過程非常復雜[11]。在橋墩上增加環(huán)翼式擋板之后,變化最大的就是橋墩附近水流的流速。因此,要了解環(huán)翼式橋墩減小最大沖刷深度的原因,必須分析橋墩附近水流的三維時均流速。本試驗測得5個斷面的流速,這里僅分析流量為70 m3/h時2—2斷面的流速分布。

圖3～5分別為不同擋板形狀時的縱向、橫向、垂向時均流速分布。圖中測線位置零點為橋墩中心,縱向為順水流方向,橫向為垂直水槽壁方向,垂向為鉛垂方向。

由圖3可以看出:無論有無環(huán)翼式擋板,無論擋板是哪種形狀,縱向流速都呈深“V”形分布,都是以水槽軸線呈軸對稱分布,極大值都出現(xiàn)在水表面靠近水槽邊壁處,極小值都出現(xiàn)在水槽軸線靠近河床底部處,這是因為水流遇到環(huán)翼式擋板后被迫向兩側(cè)分流,而且環(huán)翼式擋板阻擋了下潛水流。

由圖4可以看出:①無論有無環(huán)翼式擋板,無論擋板是哪種形狀,橫向流速都近似呈左右相近的“V”形分布,都是以橋墩中心線呈中心對稱分布。②無擋板時,極大值出現(xiàn)在水槽軸線近水表面處,極小值出現(xiàn)在2、6測線的靠近河床底部。加擋板后,極大值出現(xiàn)在靠近水槽軸線的兩條測線(3、5測線)的近水表面處,極小值出現(xiàn)在水槽邊壁的近水底部。③與無擋板相比,橫向流速極大值、極小值都有不同程度的減小,但變化不大。

圖3 不同擋板形狀時縱向時均流速分布

圖4 不同擋板形狀橫向時均流速分布

圖5 不同擋板形狀時垂向時均流速分布

由圖5可以看出:①無擋板時,垂向流速呈寬倒“U”形分布,極小值出現(xiàn)在靠近水槽邊壁的水表面處,極大值出現(xiàn)在水槽軸線靠近河床底部。②增加擋板后,垂向流速在擋板所在水深即1/3水深處有拐點,出現(xiàn)這個現(xiàn)象的原因是環(huán)翼式擋板阻擋下潛水流，導致垂向流速在擋板上聚集,所以垂向流速增大,但是靠近河床底部的垂向流速明顯減小,減小程度N3擋板最小，N1擋板最大。

3.3 紊動強度分析

紊流是水流不穩(wěn)定運動的一種狀態(tài),它們的位置、流速、形態(tài)都在時刻發(fā)生著變化。紊流的瞬時特性是不規(guī)則、無法描述的,但它的平均特性,如時間平均、空間平均、統(tǒng)計平均等卻遵循一定的規(guī)律[12]。某點上瞬時流速隨時間發(fā)生波動的現(xiàn)象,就是流速的脈動。紊動強度是衡量水流所具有的紊動能量的重要指標[13]，用于表征脈動幅度的大小，其表達式為

(1)

(2)

(3)

在試驗過程中,觀察到水流的橫向紊動強度變化比較小,所以只需研究縱向、垂向的紊動強度。表2和表3分別為不同擋板形狀各測線水流的縱向紊動強度和垂向紊動強度。

表2 不同擋板形狀各測線水流的縱向紊動強度

表3 不同擋板形狀各測線水流的垂向紊動強度

由表2可知:①無論是否加環(huán)翼式擋板,靠近水槽邊壁的測線1水流的縱向紊動強度基本都是隨著水深的增加逐漸減小,但是與無擋板相比,加擋板后測線1的縱向紊動強度整體呈增大趨勢,這是因為水流受到環(huán)翼式擋板阻擋后向兩邊擴散,水流紊動加強。②無論是否加擋板,測線2、3水流的縱向紊動強度受測點高度與水深比值的影響都不大,唯有N3時,測線2水流的縱向紊動強度稍有增加。這是因為,與無擋板相比,水流被擋板阻擋后發(fā)生擴散,測線2恰好位于水流擴散區(qū), N1、N2、N3擋板都破壞了原來的水流方向與大小,但是隨后紊動強度又都有不同程度的恢復,N3恢復最小。③不加擋板時,測線4水流的縱向紊動強度隨著水深的增加一直減小;擋板形狀為N2、N3時,在測點高度與水深比值為0.4處有極大值,原因是擋板位于1/3水深處,擋板阻擋下降水流,擋板處流速迅速增大,至測點高度與水深比值為0.4處,縱向紊動強度增大到最大值。④除個別測點外,有擋板時測線4測點水流的縱向紊動強度相比無擋板時呈增大趨勢。

由表3可知:①與無擋板相比,測線1、2近水表面處水流的垂向紊動強度減小,測線3、4近水表面處水流的垂向紊動強度增大,這說明橋墩近處垂向紊動強度大。②從整體來看,擋板形狀為N1時,僅測線1水流在近水表面處的垂向紊動強度比較大,而其他兩種擋板形狀及無擋板的工況下,整體垂向紊動強度浮動較大,也就是說,擋板形狀為N1的水流比其他工況的水流平穩(wěn)。

4 結(jié) 語

環(huán)翼式擋板形狀為N1時,最大沖刷深度最大可減小57.6%。增加擋板后,垂向流速在擋板所在處有拐點。擋板形狀為N1時,測點高度與水深比值為0.4處縱向紊動強度有極大值,整體垂向紊動強度浮動不大,水流比其他工況的水流更平穩(wěn)。分析最大沖坑深度、三維時均流速、縱向紊動強度、垂向紊動強度得出環(huán)翼式橋墩的最優(yōu)擋板形狀為N1。

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