橋墩軸向與水流成不同夾角時流速分布特性定床試驗研究.docx

1、第45卷第6期2013年12月西安建筑科技大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)J.XianUniv,ofArch.&Tech.(NaturalScienceEdition)橋墩軸向與水流成不同夾角時流速分布特性定床試驗研究嚴(yán)建科槌，焦臣】，龍濤。楊久誠】，沈波(1.中交第一公路勘察設(shè)計研究院有限公司，陜西西安710075,2,長安大學(xué)，陜西西安710064)摘要：通過測蟄按照橋軸與水流方向成不同夾角布置的多級順?biāo)畧A柱墩周圖各測點的流速，研究多級順?biāo)畼蚨樟魉俜植继匦?，以及多級蜓水橋墩的水力學(xué)特性.結(jié)果表明：橋軸向與水流方向按照不同夾角布置，多排橋嫩會互有影響.靠近下游橋墩的水流結(jié)構(gòu)會受到上游橋墩影響，其互相干

2、擾是由于鄰近、剪切、以及尾流三類機制造成的；通過試驗研究可知，當(dāng)橋軸方向垂直水流方向布置時，流速在墩前、墩后變化最大，但影響范圍最小，隨著橋軸方向與水流方向夾角減小，流速在墩前、墩后紊動變小，但影響范圍加大.關(guān)鍵詞：橋墩，夾角；流速；水力學(xué)特性；定床中圖分類號：U442.3+9文獻標(biāo)志碼：A文章編號11006-7930(2013)06-0822-07目前，高速公路建設(shè)已由平原、微丘區(qū)轉(zhuǎn)向山嶺區(qū)，山區(qū)沿溪線高速公路順?biāo)蛘吲c水流方向夾角較小橋梁越來越多，此類橋梁的水文、水力特性以及沖刷深度等的計算分析有別于正交跨越的橋梁或者單墩計算結(jié)果少幻，現(xiàn)有規(guī)范中還未有確切的計算方法或者公式，部分學(xué)者有所研

3、究*刀，但尚未形成系統(tǒng)理論.本文通過在順?biāo)畧A柱橋墩周圍布置測點，測量其流速、流向等，分析多級順?biāo)畧A柱橋墩流速分布特性，為多級順?biāo)畼蚨账μ匦院蜆蚨諞_刷機理及防護研究提供參考.圖1試驗?zāi)Ｐ退哿Ⅲw圖Fig.1Three-dimensionalshapeofexperimentalwaterchannel1試驗設(shè)備及儀器1.1試驗水槽修建用于試驗的人工水槽，配備獨立的供水和回水系統(tǒng).試驗水槽設(shè)計為直線開放型矩形水槽，長15m、寬1.5m、高0.7m,水槽底部比降1%。,水槽進口端設(shè)有進水閥門并安裝電磁流量計，在其出口端設(shè)有尾門,進水閥門和尾門可調(diào)節(jié)水的流置和深度.為使水流進入試驗區(qū)域時流速均勻，在

4、進口附近砌一道花墻,并設(shè)置整流柵，經(jīng)其調(diào)整，整流柵后2m往下游水流流速均勻，進入試驗區(qū)域的定床段,其長約3m,往下游即進入動床段，長約7m.選取水槽的定床段為試驗段，并選取若干斷面觀測.試驗?zāi)Ｐ退哿Ⅲw圖如圖1示.1.2試驗流速儀流速測定采用挪威NortekAS公司所推出的三維點式超聲波高精度流速儀，在圓柱橋墩周圍按不同的方位角布置.2試驗方案經(jīng)過初步分析，選定了對試驗影響最大的兩個要素，即：水槽中試驗水流流速和橋墩軸向與水流方收稿日期：2013-02-25修改稿日期：2013-11-15基金項目：中交第一公路勘察設(shè)計研究院有限公司科技項目(KJYF2OO5-AO4)作者簡介：嚴(yán)蔑科(1979

5、-),男，陜西眉縣人，博士，高級工程師，主要從事在役橋梁承載能力及技術(shù)狀況評價研究.向夾角作為控制要素.為減少水流的表面張力對試驗結(jié)果的影響，試驗中最小水深大于1.5cm,一般水深大于3cm,表面流速不小于23cm/s；選取上游水流開始平穩(wěn)的過水?dāng)嗝婕凑鳀藕?m處斷面作為控制斷面，經(jīng)計算控制斷面控制水深A(yù)=14.62cm,由此選取小于、等于和大于泥沙起動流速的三種流速對應(yīng)的試驗流量分別為0.03m，/s、0.06m3/s和0.08m3/s.模型橋墩采用直徑為5cm的空心圓柱橋墩，試驗選用了五組申聯(lián)雙圓柱橋墩，采用的橋墩布置形式分別為與水流方向成9060300,每種角度時橋墩都均勻的布置在水槽

6、中，前排與后排墩的中心間距為30cm.課題背景工程某高速路特大橋橫向墩間距8m,橋墩直徑2m,壓縮比為1/4；實驗中左右柱橫向間距20cm,圓柱直徑5cm,壓縮比亦為1/4,與背景工程實橋斷面橫向壓縮比相同.圓柱橋墩的布置形式如圖24所示.圖2與水流方向夾角為60平面布置Fig.2Planelayoutofpierswith60anglebetweenbridgeaxleandflowdirection墩前斷面網(wǎng)Q*2Ocbi03#0一_2#_15cm5#t-Um30cmOcm30cm30cm15cm/,試驗橋墩采用橫向2列縱向5排的多級順?biāo)畼蚨詹贾茫總€橋墩均采用直徑5cm的PVC管材圓柱橋

7、墩.前排墩布置在橋墩前排軸線斷面上，后排墩布置在下游間距前排墩軸線20cm處，每排墩相鄰墩橫向軸間距為30cm,墩徑與墩間比尺30/5,該比尺雖小于實際一般橋梁比尺30/2（即：一般樁徑2m,樁間距30m）,但墩間已經(jīng)在墩間相互影響區(qū)外，不影響橋位沖刷試驗結(jié)論.橋墩按順?biāo)鞣较驈那巴笠来尉幪枮?圖3與水流方向夾角為30角平面布置Fig.3Planelayoutofpierswith30anglcbetweenbridgeaxleandflowdirection圖4與水流方向夾角為0角平面布置示圖Fig.4Planelayoutofpierswith0anglebetweenbridgeaxl

8、eandflowdirection5號橋墩.根據(jù)高速公路橋梁實際情況，試驗選擇橋墩軸向與水流方向所成夾角分別為0、30、60、90四種情況，逐一進行觀測研究.試驗時在圓柱橋墩間分別設(shè)置流速觀測斷面，各斷面間距20cm,順著水流方向1號橋墩前斷面設(shè)為斷面1,5號橋墩后斷面設(shè)為斷面6,中間各排墩間依次為25號斷面.將橋墩軸向與水流方向夾角和試驗水槽中的水流流速作為兩個主要因素，正交組合，進行12組次試驗，通過實際觀測水流流態(tài)、測定水位、流速等，研究在不同順?biāo)贾脮r圓柱橋墩的水力學(xué)特性，獲得圓柱橋墩局部的沖刷特性，為橋梁設(shè)計提供理論依據(jù).2.1行進流速觀測方法橋墩沖刷的關(guān)鍵影響因素是行進流速，為了對

9、橋墩沖刷進行定最計算，試驗中需要對行進流速進行全程詳細觀測，因而在試驗段選設(shè)個斷面，進行行進流速觀測.超聲波流速儀需固定在測架之上，一方面測架可以在各個斷面間移動，另一方面流速儀也可在測架上面上下或左右移動.將各個斷面均勻十等分，然后采用三點法測每根垂線上三個點的流速，并將其平均作為該垂線上水流的平均流速.最后再將卜根垂線上水流的平均流速平均即得該斷面的平均流速.此即為該處的行進流速.行進流速測ht如圖5示,圖5Vectrino小威.龍點式超聲波流速儀斷而刪速Fig.5Flowvelocitytestbyvectrinoultrasoniccurrentmetre2.2沿程水位觀測方法進行沿程

10、水位觀測.通過比降變化來分析墩前的水位變化情況.沿程水位觀測和出口水位控制采用SXW.1型水位測針測定，柄度W達。.01mm.布咒三套帶有測針的設(shè)備：為觀測進口水位，在距離水槽進水【12m處布檢測針1；在活動測架上固定測針2,通過測桿地移動來測量沿程各個斷面左、中、右三處水位，為控制出口水位布置測針3.同時也可觀測沿程水位變化.3多級順?biāo)畧A柱墩周圍水流運動特性3.I理想條件下多級順?biāo)畼蚨罩車韺铀鳜F(xiàn)象在順1*1：河流中設(shè)置橋墩，在柱間的水流非干擾情況下.可認(rèn)為屆于理想條件下多級順?biāo)畧A柱橋墩周闈的表層水流現(xiàn)象.試驗觀測表明，申聯(lián)的雙圓柱橋墩由于墩間水流相互影響的存在，與單墩比較周圍的水流情況會

11、發(fā)生很大變化，由于一組圓柱橋嫩阻水繞流分流.在橋墩上游不遠處水面雍高，至墩前達到最高.兩側(cè)水流收縮集中.動能增加.水面逐漸下降在迎水最前墩后其交替性的漩渦脫落.導(dǎo)致垂直于來流方向產(chǎn)生劇烈振蕩的提升力.從而導(dǎo)致水流劇烈素動.同時在迎水墩后渦流區(qū)，后面的橋墩雖然存在前面迎水墩對水流的遮掩仍然起若阻水分流作用.使很大范圍內(nèi)渦流強度得以持續(xù)，使得水面不穩(wěn)定.Zdravkovich等曾針對兩圓柱申聯(lián)和交錯放檢的繞流問題進行過試驗研究.針對兩圓柱中心距小于5倍圓柱直徑的一系列情況.他們研究了兩圓柱間的流動相互作用.發(fā)現(xiàn)圓柱中心距存在一臨界值（約為3倍圓柱就徑）.小于該臨界值時.就沒有明顯的漩渦自上游圓柱脫

12、落,Standsby于1981年和1987年用離散渦方法和隨機渦方法分別研究了并排、串聯(lián)和交錯放性的雙圓柱墩繞流問題.試驗結(jié)果與上述結(jié)論相符.如圖6示（橋墩布置形式與水流方向成90角，水槽中流址為0.06m3/s）,試驗采用了在徑為5cm的圓柱橋墩.兩圓柱中心間距為20cm,也沒有觀察到明顯的漩渦自上游圓柱脫落.圖6串聯(lián)雙柱橋墩周國水流現(xiàn)象Fig.6Flowphenomenonaroundtandemcylinderpiers圖7理想條件下多級順?biāo)畼蚨罩車韺铀鳜F(xiàn)象Fig.7Surfaceflowphenomenonaroundmuhi-lrvclpiersalongriverflow對其水

13、流結(jié)果進行分析：當(dāng)水面附近的高速水流碰到橋墩時.水流方向偏轉(zhuǎn).水流流線彎曲,橋皴上源水體繞橋墩兩側(cè)流向下游.通過表面流線可以將這流動過程分為四段描述：（1）平順段.位于橋墩的上游區(qū)，水流未受橋墩干擾,流線基本是平行的.水流結(jié)構(gòu)近乎于均勻流；（2）過渡段：臨近橋墩的上游區(qū).水流流線類似“S”形曲線，由于水流受到橋墩的阻水作用.在墩前一定范圍有壅水現(xiàn)象；（3）繞流擠壓段：位于橋墩兩側(cè)的流區(qū).水流流線雖然也近乎平行.但通常較上游更加密集；（4）肉解段：位于橋嫩后面的流區(qū)，流過橋墩兩側(cè)的水流.尚未擴散前,受擠壓的水流流線在與墩后水體相互作用后，水流結(jié)構(gòu)變得散亂.如圖7示.3.2順?biāo)畼蚨涨闆r下橋墩周圍表

14、層水流現(xiàn)象祖橋墩沿與水流方向成不同角度的宜線均勻的布徂,如圖8所示（橋墩軸向與水流方向成60角.水槽中流量為0.08m3/s）,彼此之間必然會相互影響.靠近上游的橋嫩影響了其靠近橋墩的水流結(jié)構(gòu).其互相干擾是由于鄰近、剪切、以及尾流三類機制造成的，橋墩軸向與水流方向夾角不同.橋墩之間擾程度就會不同，因而與水流不同夾角下橋墩的局部沖刷深度也不相同.圖911顯示了與水流方向成不同角度布置的順?biāo)畼蚨盏亩罩?層水流現(xiàn)象.其所選水槽中的流鼠均為0.08m/s.圖8串聯(lián)雙圓柱橋墩間的水流干擾現(xiàn)象Fig.8Flowinterferencephenomenonamongcylinderpicr圖9橋軸與水流方向

15、成60的表層水流現(xiàn)象Fig.9Surfaceflowphenomenonaroundpiernwith60AnglebetweenbridgeaxleandHowdirection總體來看，當(dāng)圓柱橋墩順?biāo)髁飨虿贾脮r.由于墩柱阻流產(chǎn)生水流沖擊和渦流作用，墩柱周圍會分離出三維（空間）邊界層,從而形成具有高素動、高流速特性的局部水流.橋墩阻礙了水流.被阻水流在橋墩周圍以強烈的渦流形式與床面泥沙發(fā)生作用.產(chǎn)生床面切力.在橋墩周圍尤其是墩前（迎水側(cè)）產(chǎn)生沖刷坑.水流行進至墩柱附近時，因墩柱阻水而分流，部分水流繞墩而過.部分水流因沖擊嫩柱前端轉(zhuǎn)為向上、向下兩部分流動.水流流入橋孔，在墩柱周圍產(chǎn)生繞流流速

16、、流向急劇變化.引起旋渦并旦向下游傳播、發(fā)展，受干擾水流向下游延伸較遠.對水流影響范圍較非順?biāo)贾脴蚨盏挠绊懛秶鷶U大,尤其是對下游的影響發(fā)生r明顯變化.這些導(dǎo)致順?biāo)畼蚨盏臎_刷水力特性不同于垂直于流向布置橋娥.特別是橋墩軸向與水流方向成o度的水流.受墩柱阻水影響上游來水在墩前產(chǎn)生壅水水流自上游最大壅水?dāng)嗝嫫鸺眲×魅霕蚩讟蚩茁云掠涡纬闪耸湛s斷面，過水?dāng)嗝嬗行骅鬃钚《魉僮畲?由于墩柱順?biāo)鞣较颍ɑ蚺c水流方向成一夾角）布置.導(dǎo)致水流流向發(fā)生偏轉(zhuǎn).下游流向偏向左岸使得左岸沖刷嚴(yán)重于右岸.流過墩柱后水流不斷擴散，在較遠處恢復(fù)至天然狀態(tài).圖11橋軸與水流方向成0的表層水流現(xiàn)象Fig.11Surface

17、flowphenomenonaroundpierswith0*ang!cbetweenbridgeaxleandflowdirection4定床條件不同橋軸與水流的流速分布特征定床條件下，試驗流量0.08m3/s,控制斷面水深14.62cm,上游平均來流流速0.37m/s,定床條件下不同橋墩布置形式（橋墩布置與水流方向夾角分別為0、30和60）流速分布情況（斷面測點號由左岸向右岸排列1.2,，測點間距15cm）,墩前斷面1表流速如圖12.墩前斷面1底流速圖13.墩后斷面6表流速如圖14,墩后斷面6底流速如圖15所示.Fig.12Surfaceflowvelocityinfrontofpiers

18、withdifferentanglebetweenbridgeaxleandflowdirectioninfixedbedmodel504540353O25201SIO5圖12定床不同橋軸與水流夾角墩前斷面表流速圖13定床不同橋軸與水流夾角墩前斷面底流速Fig.13Bottomflowvelocityinfrontofpierswithdifferentanglebetweenbridgeaxleandflowdirectioninfixed-bedmodel圖14定床不同橋軸與水流夾角墩后斷面表流速困15定床不同橋軸與水流夾角哦后斷面底流速Fig.14SurfaceflowvelocityI

19、xihiiul|）ierswithdifferentFig.15IJottomflowvelocityRhindpierswithdifferentangleiictwwnbridgeaxleandflowdirectioninfixed-bedmodelanglelictwwnbridgeaxleandflowdirectioninfixed-bedmodel由圖12和圖13墩前斷面表流速、底流速看出：橋墩順?biāo)鞑贾?墩前斷面的底左側(cè)圓柱墩距離墩前斷面較近,60的夾角各橋墩形成橋軸線岸邊投影短于30的夾角，即：60橋墩整體阻水?dāng)_流的先于30橋墩整體阻水?dāng)_流完成,在測量的橋墩墩前斷面流速60橋

20、墩整體橋位的水流表面流速和底流速大于30橋墩整體橋位的水流表面流速和底流速.0夾角橋墩整體橋位悄況，由于橋墩集中布置于左岸，在測量的橋墩墩前斷面不論底流速還是表流速左岸水流受到的阻礙作用均較大，均較60、30橋墩整體流速偏?。辉谄溆覀?cè)，表流速與60橋墩整體橋位的幾乎相等，而底流速大于60橋墩整體橋位的底流速.這斷面流速的橫向分布大小，顯示了由于橋墩沿河道過水?dāng)嗝娣稚⒉贾?，對水流的誘導(dǎo)作用.在橋前斷面的流速傳遞反映了整體橋位的阻力特性卜=(祥/2g)，在橋墩數(shù)n相等的條件下，橋墩局部n阻力系數(shù)S一定條件下，橋墩前的行進流速決定了整體橋位阻力特性及壅水，可推斷60橋墩整體阻水造成的壅水大于30。橋

21、墩整體阻水造成的壅水.表層流速與底流速的差值反映垂直水深上的流速梯度(血/&)，從而進一步反映了墩前測流斷面河床底的摩察阻力(r=42(d3/&)2,p為水的密度，/為摻混長度)大小.可以看出0夾角橋墩整體橋位的右側(cè)河床底的摩察阻力最小，可以進一步說明0夾角橋墩整體橋位阻水作用最弱.由圖14和圖15墩后斷面表流速、底流速可以看出墩后斷面流速分布不同于墩前斷面.水流行進至墩柱附近時，因墩柱阻水而分流，部分水流繞墩而過，部分水流因沖擊墩柱前端，轉(zhuǎn)為向上、向下兩部分流動.因墩柱順?biāo)鞣较蚍稚⒉贾糜诤拥廊舾蓚€過水?dāng)嗝嫔?，使得水流在遇到墩柱時的時空分布不同，這樣在不同的斷面位置水流受到干擾的程度以及分布

22、不同，流速、流向急劇變化，引起旋渦并且向下游傳播、發(fā)展.到了墩后過水?dāng)嗝嫔系牧魉俜植加捎跇蚨赵谟野督Y(jié)束最晚，從而使得流速分布比左岸小，受阻力大，而左岸由于橋墩干擾結(jié)束較早，水流流速分布已經(jīng)趨于均勻.0夾角橋墩整體橋位，當(dāng)后面橋墩仍在前面迎水面橋墩遮掩后的渦流區(qū)內(nèi)時，必然會整體減小了橋墩的阻水擋水作用，橋位局部水流因此流速在墩后斷面分布較小，且垂直水深的流速梯度較小，表明對整體河床水流擾流小.5結(jié)論本文通過測量多級順?biāo)畧A柱墩周圍各測點的流速，研究多級順?biāo)畼蚨樟魉俜植继匦裕?1) 橋軸向與水流方向按照不同夾角布置，多排墩柱間會互有影響，靠近下游橋墩的水流結(jié)構(gòu)會受到上游墩柱影響，其互相干擾是由于鄰近

23、、剪切、以及尾流三類機制造成的.(2) 通過試驗研究可得，當(dāng)橋墩軸向垂直水流方向布置時，流速在墩前、墩后變化最大，但影響范圍最小，隨著橋墩軸向與流向夾角減小，流速在墩前、墩后紊動變小，但影響范圍加大.參考文獻References米居正.庫區(qū)下游橋梁基礎(chǔ)沖刷與防護J.中國公路學(xué)報.1993(2):35-37.MIJu-zheng.ScouringandprotectionofbridgefoundationinthedownstreamreservoirareaJ.ChinaJournalofHighwayandTransport,1993.(2)：35-37.1 李玲，李玉梁，祁學(xué)春，等.淺水

24、層圓柱繞流流動模式的試驗研究J.自然科學(xué)進展,2000,10(6):554-555.LIling,LIYu-liang,QIXue-chun,etal.ExperimentalstudyofcylinderturbulentflowpatternsinashallowwaterlayerJ.ProgressinNaturalScience,2000,10(6)：554-555王興奎，邵學(xué)軍.河流動力學(xué)基礎(chǔ)M.北京：中國水利水電出版社,2002.WANGXing-kui.SHAOXue-jun.ThebasisofriverdynamicsM.Beijing：ChinaWaterPowerPre

25、ss,2002季日臣，劉志強，張多平.山區(qū)斜交橋渡水流待性的分析口.甘肅科學(xué)學(xué)報.1999.11(4):31-34.JIRi-chen.LIUZhi-qiang.ZHANGDuo-ping.OncharacteristicsofskewbridgehydraulicsJJ.JournalofGansuSciences1999*11(4)：31-34.2 季日臣，何文社，房振葉.斜交橋壅水試驗研究與理論探討J.水科學(xué)進展，2007,18(4):504-508.JIRi-chen.HEWen-she.FANGZhen-ye.Experimentalandtheoreticalstudyofskew

26、bridgebackwaterJ.AdvancesinWaterScience,2007,18(4)：504-508.3 李付軍，張佰戰(zhàn).林桂賓.斜交橋下水流流向偏轉(zhuǎn)角度的理論分析J.水科學(xué)進展，2005,16(5),634-637.LIFu-jun*ZHANGBai-zhan,LINGui-bin.TheoreticalanalysisofthedeflectiondegreeoftheflowdirectionunderbevelbridgeCJl.AdvancesinWaterScience.200516(5)：634-637.4 凌建明，林小平，趙鴻鐸.圓柱形橋墩附近三維流場及河床局部

27、沖刷分析J1同濟大學(xué)學(xué)報.2007(5):582-586.LINGJian-ming,LINXiao-ping*ZHAOHong-duo.AnalysisofThree-DimensionalFlowFieldandLocalScourofRiverbedAroundCylindricalPierJ.JournalofTongj*University,2007(5)t582-586.Bedfixedexperimentalstudyonvelocitydistributionofbridgepierswithdifferentintersectionanglesbetweenbridgeaxl

28、eandflowdirectionYANJian-ke,JIAOChen1,LONGTao1,YANGJiu-cheng1,SHENBo2(1.ChineseFirstInstituteLimitedCorporationofHighwaySurvey&Design,Xian710075.China；2.ChanganUniversity.Xian710064China)Abstract:Bymeasuringtheofvelocityaroundmulti-levelbridgepierswithdifferentintersectionanglesbetweenbridgeaxleandf

29、lowdirectioninfixedbed,thepaperstudiesvelocitydistributionandhydrodynamiccharacteristicsofbridgepierswithdifferentintersectionanglesbetweenbridgeaxleandflowdirection.Theresultsshowthatbridgepiersarearrangedatdifferentintersectionanglesbetweenbridgeaxleandflowdirectionithatthepiersinfluenceeachother,

30、andthatthepiersintheupstreaminfluenceflowstructureofthepiersinthedownstream.Thedisturbancecanbeattributedtothreecauses：near,shearing,andwakestream.Whenbridgepiersarearrangedatorthogonalitybetweenbridgeaxleandflowdirection,velocityfluctuationinfrontofthepiersorbehindthepieristhebiggest,buttheaffected

31、regionisthesmallest.Thesmallertheintersectionanglebetweenbridgeaxleandflowdirectionbridgepiersarearrangedthebiggervelocityfluctuationinfrontofthepiersorbehindthepier,butthesmallertheaffectedregion.Keywords:pier%intersectionanglejvelocitydistribution;hydrodynamiccharacteristicfixedbedBiography；YANJian-kc,Ph.D.,SeniorEngineer.Xian710075.P.R.China.TEL：0086-29-87906220-415.E-mail：yanjianke79(上接第821頁)Simplifiedalgorithmofbucklingcriticalloadforshear-bendingcantileverrodunderaxiallyuniformlydistributedloadLILiang,LIGuo-qiang(1.CollegeofCivilEngineering