水利工程論文-拋石體在橋墩處的防護作用.doc

水利工程論文-拋石體在橋墩處的防護作用摘要：雖然拋石體是橋墩處抵抗沖刷最為普遍的應用方法，但對活動河床條件下拋石的性能目前幾乎還沒有什么研究。在本文中，對破壞機理、穩(wěn)定性，以及拋石體鋪設水平所起的作用都進行了試驗研究。在清水條件下，拋石體主要遭受剪切，簸和邊緣破壞?；钏畻l件下，由于河床構造的發(fā)展變化造成的不穩(wěn)定性成為非常重要的方面。河床構成形式造成的不穩(wěn)定性受到橋墩處的河槽形式變化帶來的不穩(wěn)定因素的影響。試驗用于估測在一個大范圍的水流條件下，拋石對橋墩能起到怎樣的作用。對在沉積河床的深處鋪設拋石層，而非河床床面鋪設拋石的作用也進行了研究.關鍵詞：拋石體橋墩處防護作用1.前言在多數(shù)河流環(huán)境中，沖刷孔圍繞橋墩基礎形成。由于橋墩導致的強大的旋渦運動沖走了橋墩基礎周圍的河床沉積物。最普遍應用的抗浸蝕作用技術是采用給河床“鎧甲”裝置，如拋石。以拋石充當自然屏障來承受水流的沖蝕力。奇沃(1995)和奇沃利姆(2000)曾提出，拋石體的防護性受到某些破壞機理的影響，這些破壞機理可以使石料不穩(wěn)定，并導致保護面的完全裂變。在清水條件下，下列破壞機理可能發(fā)生：（1）剪切破壞拋石體被水流卷走；（2）簸破壞在紊流和滲流作用下，較細的下部河床物質遭到侵蝕；（3）邊緣破壞拋石層外圍護石造成沖刷。Chiew，Lim(2000)確立了一個第4破壞機理，在活動河床條件下，拋石層由于河床的運動而不穩(wěn)定。隨著大型沙丘的遷移，拋石層由于淘刷的作用而沉入河床沉積物中。常常有這樣的建議，在波浪形的河床上，拋石層應該被鋪設在河床物質的某個深度。其合理性在于較深的層可以不受河床形式運動的影響，和被淘刷的機會。目前為止，還沒有嘗試對其作用進行量化的研究。目前的研究目的，就是要證實不穩(wěn)定性對河床橋墩拋石體的影響，以及估測拋石層鋪設水平所產生的影響。試驗采用圓柱體橋墩，在兩個不同尺寸的活動河床條件下進行，用沙丘和逆沙丘模仿沉積運動。根據(jù)對當前設計方案的審查，每一層拋石圍橋墩鋪設呈園形排列。對于一般性平整河床，在4個不同的深度做拋石層試驗。對每一層的最終鋪設位置和水流速度加以關注并與未受保護的沖刷深度進行比較。2.試驗程序試驗在2個寬度分別為0.44m和1.52m的可循環(huán)試驗水槽進行。丙烯酸圓形橋墩直徑分別為70mm和200mm。兩個水槽都采用均勻的河床沉積物，中值粒徑d50=0.95mm，拋石材料在0.44m寬度的水槽，采用S1、S2、S3和S6表示。S5、S4用于1.52m寬的水槽。石料的中值粒徑D50，以及其特性，示于表1。Shields函數(shù)用于計算臨界應力速度UC。加注下腳標S（即：UC）表示河床沉積物，加注下腳標r表示拋石。拋石采用同心設置，圍橋墩，采用直徑4D的平均面積C，和2D50的層厚度t。4個不同的鋪設深度為：YD0，0.29，0.57，0.86，其中Y等于最上面的拋石體深度位置。拋石體、橋墩和沉積排列定義草圖請見圖1。(表1河床沉積和拋石特性)在一定流速范圍內觀察拋石層的反應，臨界近似流速在0.44m寬的河槽內為：UUcs=0.61-3.10,在1.52m寬度河槽內為UUcs=1.48-2.26。在0.44m寬度河槽的水流范圍內可以觀察到沙丘和逆沙丘形成。在穩(wěn)定，近似均勻水流條件下進行試驗。表2列出的是在這項研究中的全部試驗條件及結果。(圖1拋石體定義草圖)3拋石對河床形式的反應3.1破壞機理表面鋪設拋石層河床形態(tài)的運動經過橋墩導致橋墩處河床面的波動。這樣的波動使橋墩拋石變得不穩(wěn)定。拋的運動有兩種形式。如果河床比拋石層底部深，那么拋石會掏槽并滑入河槽區(qū)域，可能會被埋入一個深度。一旦石料被移走，底部沉積物造成的簸增加，相鄰的石料產生更大的移動。當河床波動，接近橋墩時，短期內可以導致高紊流、高剪應力。拋石體可能會被沖走，沖至橋墩被水處。由河床形式變化產生的不穩(wěn)定性破壞過程示于圖2。(圖河床構造的不穩(wěn)定破壞過程)對于埋置形式的機理，經河床的最低河槽位對拋石層的沉陷具有最大的影響。如果橋墩下游的河床形式逐漸加深，石層會繼續(xù)下沉。特殊水流條件下的最深河槽，其最大深度處的拋石下沉（陷）的情況可以確定。最大河床深度的水流速度是拋石層發(fā)生最大沉陷的條件。其中具有最高剪應力的拋石尺寸是非常重要的。小尺寸石料S1破壞的相對流速較低UUcs。河槽形態(tài)造成紊流的地方破壞速度快，成批地被沖走，導致拋石層的快速崩解。Chiew，Lim(2000年)曾提到過在沉積條件下拋石對水流的反應變化。埋入情況的差別在于拋石料與河床物質之比的大小，從而發(fā)生不同的反應。根據(jù)Chiew，Lim(2000)的理論，對于拋石料尺寸的研究，應該具有足夠大的尺寸，以應對埋置的情況，而不會發(fā)生拋石層的瓦解。研究的結果在很大程度上支持這樣的結論：在全部的水流速試驗中，除S1石料以外，所有的石料都沉入河床沉積物中。在較高的流速情況下，河槽的剪應力接近于石料的臨界剪應力，有部分石料的確是由于剪力而移動，而埋入河槽底部。S1拋石石料D507.8mm，基于Chiew和Lim(2000)標準，臨界剪切速度的大小相似于河床物質。如上所述，S1石料的UUcs值比其它所有的拋石試驗尺寸低時受到破壞。其原因，可能是這個特殊尺寸的石料對破壞機理更具敏感性。3.2拋石對水流速的反應表面鋪設層當受到上述提到的4種形式之一或以外更多情況影響時，拋石仍然能夠對橋墩提供一定的保護作用，比未受保護的橋墩降低了局部的沖刷深度。對6種拋石石料尺寸逐一進行了試驗。通過量測試驗后的沖刷結果，比較未受保護的沖刷深度值。未受保護的沖刷深度，用測深聲納在上游橋墩處進行量測，確定為試驗時段內，上游橋墩處的最大沖刷深度，相對于平均沉積河床水平。由于拋石層的設置，沖刷深度作為在橋墩上游面最低拋石位置的垂直變化進行了量測。拋石層鋪設面試驗結果示于圖3。相對局部沖刷深度（dr/dsmax）,dr為受到保護的橋墩局部沖刷深度，dsmax為未受保護橋墩的最大局部沖刷深度。U/Ucs為相對流速。還包括L1和L2的數(shù)據(jù)組，經過選擇的數(shù)據(jù)作為試驗結果的典型