圆柱桥墩局部冲刷机理研究

圆柱桥墩局部冲刷机理研究

秦卫敏

云南省监理咨询有限公司，云南 昆明 650021

摘要：本文利用水槽动床冲刷实验，获得了不同流量和水深条件下圆柱型桥墩流场及冲刷地形。分析了冲刷范围、冲刷深度、冲刷扩散角与来流流量及下游水深之间的关系。结果表明：最大冲深深度与桥墩尺度有关；流量增大、水位变浅时由于行进流速、紊动能等因素的影响使最大冲深呈现单增趋势；最大冲宽与最大冲深的分布规律在流场和水深条件改变时相似。通过本文的修正公式将可以更好地预测桥墩的最大冲刷深度。

关键词：冲刷范围；冲刷深度；紊动能；最大冲深；冲刷扩散角

桥墩作为桥梁结构的关键组成，对其的破坏以及防护进行研究是十分有必要的。桥墩的墩台等阻碍水流的建筑物周围的水流由于圆柱绕流的影响，会形成局部冲刷。这样的冲刷带来的结果是桥墩的埋置深度会减小，长此以往随着基础埋深的逐渐减小桥墩的稳定性也大大减小，这会对桥身造成巨大威胁。研究者们对发生了重大破坏的140座桥梁的事故原因进行了统计和分析[1]，其中有66座是由于桥墩的冲刷造成的，也就是说近50%的桥梁破坏是由于冲刷造成的。目前的实际工程中，桥墩附近的环境比较复杂，国内外对于桥墩的冲刷计算方法不同，中美桥墩局部冲刷条文都考虑了桥墩墩形系数和桥墩宽度对局部冲刷深度的影响，其次，在不同的实际工程中，墩形系数、桥墩的平面布置和垂直布置等因素也作为了计算桥墩局部冲刷的因素[2]。总得来说，在计算桥墩局部冲刷时，主要考虑桥墩特征、水流特征以及河床质特征的影响。本研究通过开展圆柱形桥墩的水槽冲刷概化实验研究，获得了桥墩冲刷过程中流场分布、地形分布；并进一步分析最大冲深、最大冲宽与来流流量、下游水位之间的关系，以及紊动能与冲深、冲宽变化规律，通过冲深与冲宽结果，对前人的公式进行验证与修正，提出相应修正公式。

1试验布置与方法

试验水槽长20m、宽1m、深1.1m，水槽模型示意图如图1所示，水槽中部为沙槽，沙槽长2m、宽1m、深40cm。试验设置有4个流量和4个水深下的16个工况。如表1所示。

表1试验工况表

Table 2 Table of test working conditions

本试验使用的Nrotek AS公司的ADV（小威龙，最大频率200Hz）是一种单点、高分辨率流速仪，它依据声学多普勒效应使用一个发送器与三个接收器接收经水体中固体微粒散射后产生的频率差信号，通过信号处理软件分析、合成，便可得到采样水体的三维水流速度。单体模型中的坐标系统x正方向为水流方向，y正方向为垂直水槽左岸岸壁方向，z为铅垂向上，坐标原点0位于圆柱桥墩圆心。流速测点分布取决于桥墩流场特性,冲刷坑内x方向测点间距为0.2m，y方向测点间距取0.25m；z方向测点为水面下2cm、6cm和8cm处。试验待桥墩局部冲刷基本稳定后对桥墩附近流速场进行测量。冲刷结束后再通过红外线距离探测仪获得地形资料。

2桥墩冲刷结果与讨论

冲刷结果表明冲刷坑形状呈倒圆锥形分布，最大冲深分布于边界层与桥墩分离处，本实验中地形冲刷呈对称分布。为分析来流流量及下游水深与最大冲深、最大冲宽及冲刷角之间的关系，本文定义了无量纲最大冲宽L* =L/D  ，其中L为最大冲刷宽度，D为桥墩直径，θ为冲刷扩散角。y=0平面地形剖面图。试验结果表明，桥墩绕流关于x轴对称，所以本实验只考虑了y>0的情况；受桥墩阻水影响墩前水流分成了两部分：当y*／H＞0.6时，部分水流直冲桥墩，在墩前产生向上的涌流；当y*／H＜0.6时，部分水流很明显得产生了下冲的趋势形成了墩前下潜水流，其中y*是水流平面在y方向上距离y轴的距离、H是水深。此外，墩后会形成竖向漩涡区造成堆积。桥墩局部冲刷的主要动力是墩前大尺度的下潜水流与横向环流。下潜水流在冲刷坑附近沿着桥墩两侧生成漩涡，漩涡呈马蹄形分布，使得河床泥沙向两侧与下游延伸；漩涡分布对称且不断地从桥墩后方释放出来，这样的尾流旋涡会促进桥墩下游的冲刷进一步发展，最后形成燕尾型堆积沙丘[3]。根据系统实验结果，相同流量下在水深为14、16和18cm时冲刷的距离为墩后90cm左右，但在水深为12cm时冲刷距离达到了墩后120cm；相同水深下冲刷的距离在四个流量下的差距不大。故系统实验冲刷的水平距离与水深有密切的关系，且表面水深越浅冲刷的水平距离越远。

3修正公式

在本文的实验工况下，经验计算结果与实测数据的误差较大，于是引入Melville-Chiew]的经验公式：

通过对比计算值与实测值发现利用Melville-Chiew经验公式在本实验工况下产生了较大的误差，于是根据最大冲深与流量、水深和流速的关系引入常数：

式中Q为流量，h为水深，A为横截面积，为修正流速，

a为修正常数其值为0.07639。基于Melville-Chiew经验公式符合本系统实验下的桥墩冲刷最大冲深修正公式为：

h*=

式中h*为本文定义的无量纲最大冲深。

表2修正公式所得最大冲深结果计算表

Table 6 Calculation of maximum punching depth results obtained by correcting the formula

通过修正公式得到的结果对比于Melville-Chiew经验公式较为符合本系统实验工况下的实测结果，除偶然误差外其误差不超过10%。

结论

本研究基于系统实验，探究了圆柱桥墩冲刷机理，得到以下结论：

（1）最大冲深分布于边界层与桥墩分离处，冲刷地形为倒圆锥形且呈对称分布。形成墩前冲刷的原因是墩前的下潜水流卷起了泥沙；而相应的，在墩后位置产生了向上的涌流，这股涌流携带着泥沙形成了墩后的淤积。

（2）桥墩附近绕流的挤压作用使两侧流的流速加大从而形成了局部水面的跌落和回升，在桥墩后方尾流形成了涡旋区。流速大时，涡旋区内的涡能量大、消耗小；水流扩散的角度增大，被挤压的水流远离桥墩的角度增大使得冲刷的范围随之增大。

（3）本文给出了桥墩冲刷的最大冲宽的拟合经验公式；此外本文还对比了国内其他研究者的圆柱桥墩最大冲深计算公式，基于Melville-Chiew公式，给出了符合本文工况下的最大冲深修正计算公式。

参考文献：

[1] 詹磊, 董耀华，惠晓晓. 桥墩局部冲刷研究综述[J], 水利电力科技, 2007(3): 1-13.

[2] 向琪芪,李亚东,魏凯,王顺意,姚昌荣.桥梁基础冲刷研究综述[J].西南交通大学报,2019,54(02):235-248.JTGC 30—2002 , 公路工程水文勘察设计规范[S] .

[3]韩海骞,熊绍隆,孙志林.潮流作用下桥墩局部冲刷深度计算公式的建立与验证[J].泥沙研究,2016(01):9-13.