攔沙壩對上游橋梁沖刷防護(hù)的效果測試及分析

徐兆凱，謝 鋒，李東風(fēng)(.河海大學(xué) 文天學(xué)院，安徽 馬鞍山 4305；.浙江水利水電學(xué)院 水利與環(huán)境工程學(xué)院，浙江 杭州 3008)

攔沙壩對上游橋梁沖刷防護(hù)的效果測試及分析

徐兆凱1，謝 鋒2，李東風(fēng)2
(1.河海大學(xué) 文天學(xué)院，安徽 馬鞍山 243051；2.浙江水利水電學(xué)院 水利與環(huán)境工程學(xué)院，浙江 杭州 310018)

通過在橋梁下游設(shè)置攔沙壩可減緩上游橋梁沖刷.以典型工程為原型制作物理模型，選取進(jìn)口流量Q、攔沙壩壩頂高程Z及攔沙壩距橋墩軸線距離L作為研究參數(shù)，開展了34組試驗(yàn)，結(jié)果顯示各方案下，橋墩至攔沙壩間的一般沖刷比原河床低0.3 ～0.5 m，橋墩局部沖刷一般不超過5 m，橋墩沖刷坑下游約長25～35 m，為使攔沙壩不受橋墩沖刷坑影響，攔沙壩位置應(yīng)選擇在距橋墩中心線下游45 m左右，壩頂高程比壩址處河床高1.0～1.5 m.

橋梁沖刷;攔沙壩;物理模型;VDMS

在河流上修建橋梁，會干擾水流運(yùn)動(dòng)、破壞河床原始的狀態(tài).橋梁沖刷包括河槽的自然演變沖刷、橋下河床的一般沖刷和橋墩的局部沖刷三個(gè)部分[1].對自然環(huán)境和橋梁設(shè)計(jì)、橋梁安全影響最大的是橋墩局部沖刷[2]，它是橋梁的墩臺阻擋水流，使得水流產(chǎn)生沖擊和渦流，改變墩臺周圍的局部地形.橋墩周圍的水流結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，對于橋墩局部沖刷的研究，許多學(xué)者將模型試驗(yàn)、現(xiàn)場調(diào)查觀測、量綱分析及多變量相關(guān)分析等方法與理論研究相互結(jié)合、相互補(bǔ)充，從不同途徑研究橋墩局部沖刷[3-6].

近年來，城市基礎(chǔ)建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，使得沙石等原材料的需求不斷增加，河道內(nèi)的沙石挖取超過了河道的承受能力.河床形態(tài)的嚴(yán)重改變，造成河道內(nèi)水流流態(tài)的異常，加劇了橋梁附近的局部沖刷，減小了墩臺基礎(chǔ)的埋置深度，削弱了墩臺的穩(wěn)定性，威脅到橋梁的安全，為此采取了各種防護(hù)措施.其中，在橋梁下游的適當(dāng)位置修建攔沙壩，就是一種合適的工程措施[7].由于攔沙壩與橋墩局部沖刷之間的相互影響尚未清楚，為了豐富橋墩沖刷理論和指導(dǎo)橋梁墩臺防護(hù)工程設(shè)計(jì)，本文以典型工程為例，采用物理模型試驗(yàn)研究攔沙壩對上游橋梁沖刷的影響.

1 典型工程情況

選取西安浐河大橋?yàn)檠芯繉ο?，橋梁?孔橋，單孔凈寬25 m，橋梁跨度約140 m，橋墩為7.5 m×2.5 m.在橋墩的下游約75 m處，修建攔沙壩1座，主要是用于保護(hù)橋墩安全，防止下游河道的溯源沖刷.橋梁位置、形態(tài)及攔沙壩位置(見圖1)；橋墩及攔沙壩尺寸(見圖2).

圖1 橋梁和攔沙壩的位置

圖2 橋墩及攔沙壩形狀及尺寸

橋梁附近河道寬淺、岸線基本順直，但主槽蜿蜒曲折，主槽寬一般在25～35 m.河道縱比降約為0.8%，河槽糙率約為n=0.023～0.025，河灘糙率約為n=0.030～0.035.橋梁百年一遇的設(shè)計(jì)流量為400 m3/s，相應(yīng)河道平均流速為2.5 m/s.河道沒有懸移質(zhì)資料，推移質(zhì)泥沙與表面床沙相近，床沙中徑d50=6.6～7.2 mm，卵礫石、粗沙覆蓋層厚約7 m.

2 研究模型建立

2.1 物理模型

物理模型采用正態(tài)模型，幾何比尺λL為30.模擬河段總長為330 m，橋梁上游150 m，橋梁下游180 m；模擬河段寬度為140 m.物理模型布置圖(見圖3)；物理模型試驗(yàn)效果(見圖4).

圖3 物理模型平面布置

圖4 物理模型試驗(yàn)效果

橋梁橋墩采用有機(jī)玻璃制作，攔沙壩采用木頭制作.河灘采用水泥砂漿制作，表面撒細(xì)石粒增加粗糙度，主槽內(nèi)地形使用模型沙塑造.物理模型進(jìn)口流量由電磁流量計(jì)控制，尾部水位由測針控制，斷面流速采用光電式旋槳流速儀和畢托管測量，表面流場采用VDMS流場監(jiān)視儀測量.VDMS(流場實(shí)時(shí)測量系統(tǒng))是運(yùn)用數(shù)字?jǐn)z像與粒子跟蹤測速技術(shù)(PTV)研制開發(fā)的表面流場大范圍同步測速與監(jiān)控系統(tǒng)[8]，該系統(tǒng)對所研究的模型試驗(yàn)區(qū)域，可實(shí)現(xiàn)整體流場、斷面流速分布、單點(diǎn)流速矢量的實(shí)時(shí)監(jiān)測，提高了試驗(yàn)測量的精度和效率.

2.2 研究方案

試驗(yàn)一共34組，采用進(jìn)口流量Q、壩頂高程Z和攔沙壩距橋墩軸線距離L，作為參數(shù)研究.試驗(yàn)組次(見表1).

表1 試驗(yàn)組次布置

3 攔沙壩對上游橋梁沖刷的影響分析

3.1 河道整體流場分析

通過各組試驗(yàn)觀測，河道流量為100 m3/s時(shí)，水流完全在主槽內(nèi)流動(dòng).河道流量為200 m3/s和250 m3/s時(shí)，水流基本仍然在主槽內(nèi)流動(dòng)，只有部分灘地上水(見圖5(a)、(c)).河道流量為400 m3/s時(shí)，河道全斷面過水.主流仍然集中在主槽內(nèi)，雖然主槽只有30 m左右，但主槽流量卻占全河道流量的63%～75%，而灘地流量約占總流量的1/3(見圖5(b)、(d)).

圖5 VDMS測量的整體流場

水流在橋墩前受到阻擋產(chǎn)生涌浪，壅高了上游水位，隨后水流從橋墩兩側(cè)通過，水面跌落，在橋墩尾部稍有回升(見圖6).攔沙壩的存在，使橋梁下游(墩后5 m至壩前之間)可以保持一個(gè)穩(wěn)定的水深與水面坡降.

水面坡降J在同級流量下，隨著壩頂高程的提高而逐級減少，例如：在Q=400 m3/s時(shí),L=75 m時(shí)的水面坡降J為0.003 3～0.008 1(見圖6(a)).水面坡降J在同級壩頂高程下，隨著流量的提高而逐級減少，例如：L=45 m，Z=390.14 m壩上游水面坡降分別為J=0.003 4～0.008 9(見圖6(b)).

圖6 橋梁附近的水面線

3.2 橋墩附近流場分析

從流速方面來看，隨著流量的增加，斷面流速值亦相應(yīng)增加.各方案下，墩前10 m處斷面流速分布比較均勻,因?yàn)樗軜蚨沼坷说挠绊戄^小，斷面上各測點(diǎn)平均值一般為1.5～3.0 m/s之間(見圖7墩前10 m處斷面).墩前5 m處斷面，平面上流速沿河寬呈現(xiàn)兩側(cè)流速大、中部流速小的平面分布形態(tài)(見圖7墩前5 m處斷面).垂向上由于水流在沖刷坑形成回流，造成該斷面中軸線流速稱“S”形分布(見圖8).

橋墩兩側(cè)水流收縮，流速略有增加(見圖7橋墩處斷面).在橋墩末端,受回流影響水面產(chǎn)生跌落，墩尾流速減小至0.6 m/s左右(見圖7墩后5 m斷面).水流離開橋墩后，在各斷面平面上也呈現(xiàn)兩側(cè)大、中間小的態(tài)勢(見圖7墩后10 m及20 m斷面).至壩前10 m左右流速基本恢復(fù)至未受橋墩干擾的狀態(tài)(見圖7墩后35 m斷面).

圖7 橋墩附近特征斷面垂線平均流速橫向分布(L=75 m)

圖8 橋墩前5 m斷面中軸線垂向流速分布(L=75 m)

3.3 橋墩局部沖刷分析

從沖刷方面來看，各方案下橋至壩河段的一般沖刷線比原河床低0.3～0.5 m.橋墩沖刷坑形態(tài)為馬蹄形，自墩前向橋墩逐漸收縮，橋墩后部受尾流影響形成燕尾型延長部，受地形影響并不完全對稱，墩外側(cè)較深，橋墩局部沖刷最深點(diǎn)在墩前約1 m的范圍內(nèi)，沖刷坑下游約長22～35 m(見圖9).

圖9 沖刷后河床高程等值線

隨著水流流量的增大，橋墩附近局部沖坑的深度也會相應(yīng)增加.在相同級別的流量下,攔沙壩高程的提高,上游河道水位逐級抬高,橋墩局部沖坑深度則相應(yīng)減少，例如：在(L=75 m,Q=400 m3/s)情況下，橋墩局部沖刷深度為3.35～5.40 m.

攔沙壩移至45 m時(shí)，由于壩體仍然在橋墩局部沖坑下游坡之外，故對沖坑形態(tài)沒有產(chǎn)生擾動(dòng)影響.通過同級流量時(shí)，橋墩的局部沖坑深度及形態(tài)與75 m方案相比，基本一致，例如在(L=45 m,Q=400 m3/s)情況下，橋墩局部沖刷深度為3.8～5.37 m.

從沖刷坑發(fā)展過程來看，小流量時(shí)，沖刷坑發(fā)展速率平穩(wěn)而緩慢的發(fā)展，很短的時(shí)間發(fā)展至平衡.隨著流量的增大，沖刷坑發(fā)展速率明顯增大，而且出現(xiàn)速率的波動(dòng)現(xiàn)象，隨著時(shí)間的延續(xù)，最終也會趨近于新的沖淤動(dòng)態(tài)平衡.該過程為“平衡狀態(tài)—破壞狀態(tài)—平衡狀態(tài)”交替發(fā)展.不同流量級的沖刷深度歸一化后的發(fā)展曲線(見圖10).

圖10 沖刷深度發(fā)展過程

4 結(jié) 論

根據(jù)典型工程及河段的試驗(yàn)結(jié)果，得出研究河段的主流基本集中在主槽，即使進(jìn)口流量Q=400 m3/s時(shí)全斷面過水，主槽流量任占全河道流量的63%～75%，灘地流量僅占總流量的1/3左右.攔沙壩的存在使得橋梁下游可以保持一個(gè)穩(wěn)定的水深與水面坡降.水面坡降J在同級流量下，隨著壩頂高程的提高而逐級減少.水面坡降J在同級壩頂高程下，隨著流量的提高而逐級減少.橋墩至攔沙壩間河段的一般沖刷不大，與流量成正比，沖刷面比原河床低0.3～0.5 m.

橋墩沖刷坑形態(tài)為馬蹄形，自墩前向橋墩逐漸收縮，橋墩后部受尾流影響形成燕尾型延長部，受地形影響并不完全對稱，墩外側(cè)較深，橋墩局部沖刷最深點(diǎn)在墩前約1 m的范圍內(nèi)，深度隨著攔沙壩的壩頂高程抬高而減小，隨著攔沙壩與橋墩中心線的距離的減小而增大，但是一般不超過5 m，沖刷坑下游約長22～35 m.為使攔沙壩不受橋墩沖刷坑影響，攔沙壩位置應(yīng)選擇在距橋墩中心線下游約45 m，壩頂高程比壩址處河床高1.0～1.5 m.

[1] 俞高明.橋涵水力水文[M].北京：人民交通出版社,2002.

[2] 李東風(fēng),張紅武,謝華偉,等.名山橋局部沖刷二維數(shù)值計(jì)算分析和防護(hù)研究[J].浙江水利水電?？茖W(xué)校學(xué)報(bào),2012,24(4):9-12.

[3] 郭 超.橋墩沖刷與波流力的試驗(yàn)研究[D].北京：清華大學(xué),2012.

[4] 張繼東,陳星宇,顏永先,等.金塘大橋橋墩沖刷現(xiàn)狀分析[J].浙江交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2014,15(3):32-36.

[5] GAUDIO R, TAFAROJNORUZ A, CALOMINO F. Evaluation of Flow-Altering Countermeasures against Bridge Pier Scour[J].Journal of Hydraulic Research, 2012,50(1):35-43.

[6] 俞 艷,何思明.河流橋墩沖刷分析[J].中國水運(yùn),2014,14(10):227-229.

[7] 翟 鈞.橋梁墩臺沖刷病害及加固方法的分析[J].天津建設(shè)科技,2015,25(4):68-69.

[8] 孫東坡,張菲菲,王鵬濤,等.游蕩性河段新型整治工程局部沖刷模型設(shè)計(jì)[J].泥沙研究,2010(5):66-71.

Study on Upstream Bridge Scouring Under the Influence of Sediment Storage Dam

XU Zhao-kai1, XIE Feng2, LI Dong-feng2
(1.Wentian College of Hehai University, Maanshan 243051, China; 2.College of Hydraulic and Environmental Engineering, Zhejiang University of Water Resources and Electric Power, Hangzhou 310018, China)

Sand dredging in the river will result in headword erosion against the riverbed near the bridge. In order to understand the protection effect of sediment storage dam and the interaction bridge scouring, in the study, a physical model was made based on typical engineering, 34 groups of experiments were set, the inlet flowQ, the height of the dam heightZand the distance between the dam and the bridge pier are taken as the research parameters, and the flow field, water line and scouring under each working condition were analyzed. The results showed that in the case of sediment storage dam, the riverbed between the pier and the dam which was processed by general scouring was 0.3 to 0.5 m lower than the original riverbed, that maximum depth of local scouring around the pier was generally not more than 5 m, and that influence range of local scouring to the riverbed of the downstream was about 25 to 35 m. Therefore, the dam should be positioned in the place which is at least 45m far away from the downstream of pier axis and the dam crest elevation should be 1.0 to 1.5 m higher than the riverbed.

bridge scour; sediment storage dam; physical model; VDMS

2016-10-23

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2016YFC0402500)；國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51039003)

徐兆凱(1994-)，男，浙江杭州人，研究方向?yàn)樗こ碳八Y源.

TV149

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1008-536X(2017)02-0018-06