圓柱橋墩局部沖刷水力學(xué)特征試驗研究

圓柱橋墩局部沖刷水力學(xué)特征試驗研究

橋梁局部磨損是橋梁破壞的主要原因。國內(nèi)外科學(xué)家對這一主題進行了大量研究，并對其進行了一些研究成果。然而，由于橋梁局部磨損現(xiàn)象非常復(fù)雜，影響因素多，根據(jù)試驗原理提出了一些計算橋梁局部磨損深度的經(jīng)驗公式，但對局部磨損機的研究很少。W.Melville等采用熱膜測速儀測量了固定底床條件下沖刷坑內(nèi)距底2mm處的平均流速,計算了床面平均剪應(yīng)力,并得出平衡沖刷坑內(nèi)平均剪應(yīng)力低于沖刷開始和中間時刻沖刷坑內(nèi)的平均剪應(yīng)力的結(jié)論.B.Dargahi采用氫氣泡流動顯示技術(shù)研究了平底圓柱繞流時圓柱上游的馬蹄渦系以及圓柱周圍的沖刷坑發(fā)展過程,認為馬蹄渦系側(cè)面的加速流動和尾渦是圓柱周圍局部沖刷的主要動力.W.H.Graf等采用聲學(xué)多普勒測速儀在雷諾數(shù)Re=81000下分別測量了固定底床條件下平底和平衡沖刷坑兩種工況垂直對稱面平均流速,計算給出平均渦量和平均湍流動能,并指出圓柱下游湍流擾動明顯大于來流,沖刷坑內(nèi)剪應(yīng)力低于來流剪應(yīng)力.趙威等采用粒子圖像測速技術(shù)和粒子圖像識別技術(shù)研究了沖刷坑的演化過程及局部沖刷的流體動力機制,針對典型沖刷坑形狀固定底床,測量了圓柱下游的瞬時流場,得出尾流區(qū)平均剪應(yīng)力較低,但垂向渦量和湍流強度較高,尾渦和湍流的綜合作用是局部沖刷的主要動力.K.Debnath等研究了懸移質(zhì)及不同濃度對橋墩局部沖刷的影響和作用,發(fā)現(xiàn)懸移質(zhì)濃度為993～1332mg/L時沖刷深度增大,是清水的1.54倍;2456～2700mg/L濃度時沖刷深度有所減小.M.Zhao等對水下圓柱橋墩的局部沖刷進行了試驗研究和數(shù)值模擬研究,發(fā)現(xiàn)在圓柱橋墩的高徑比小于2時,墩前停滯點的沖深和圓柱高徑比無關(guān);隨著墩參數(shù)增大,沖深和墩高增長速率隨之增大.以上研究多集中于單個橋墩情況,對于群樁橋墩的研究較少,以致影響到理論模型的建立和實際應(yīng)用,因此,進行群樁圓柱橋墩局部沖刷機理試驗研究對提高橋梁設(shè)計可靠性及公(鐵)路新線建設(shè)均具有重要的現(xiàn)實意義.1試驗安裝和方案1.1試驗裝置與試驗設(shè)計試驗采用矩形直線開放水槽,水槽長1000cm,寬150cm,高60cm,并配有獨立的供回水系統(tǒng),上游進口端裝有進水閥門、整流柵和電磁流量計,下游出口端裝有尾門,以調(diào)節(jié)水槽中流量和水深.水槽上游3m為定床,下游7m為動床段,動床段鋪設(shè)中值粒徑d50=0.547mm,重度為2.65kN/m3,厚40cm的均勻天然沙.試驗平面布置如圖1所示.采用直徑為5cm的圓柱式橋墩,雙排橫向均勻布置于動床上,前、后排墩間距16cm,按順?biāo)鞣较驈挠野吨磷蟀斗謩e為1～5#橋墩.橋墩軸向與水流方向設(shè)計成0°,30°,60°,90°夾角4種情況.在橋墩上下游設(shè)置若干觀測斷面,間距20cm(見圖1).采用挪威NortekAS公司生產(chǎn)的三維點式超聲波流速儀監(jiān)測流速.設(shè)定流速儀采樣頻率為25Hz,每個測點持續(xù)測速8s,可測得200個數(shù)據(jù),再利用DataConversion命令,轉(zhuǎn)化得到200個流速值組成的流速系列,取平均值作為測點流速.采用光纖式液體界面測定儀測量沖刷地形.該儀器利用光纖地形傳感器配以相應(yīng)的二次儀表來讀取水流作用下模型底層淤積面的演變,在放水過程中即可測量地形,測量誤差小,操作簡單、耗時少.1.2泥沙擊穿流速ve選定水流流速和橋墩布置形式作為試驗要素,水流流速選取大于、等于和小于試驗用泥沙起動流速.泥沙起動流速計算采用沙莫夫(Г.И.Шамов)公式:Ve=1.14ρs?ρρgd??????√(hd)1/6(1)Ve=1.14ρs-ρρgd(hd)1/6(1)式中:Ve為泥沙起動流速(m/s);ρs為泥沙的密度,取2.65×103kg/m3;ρ為水的密度,取1000kg/m3;g為重力加速度,取9.81m/s2;h為水深(m);d為泥沙粒徑(mm).選取上游水流平穩(wěn)的過水?dāng)嗝?-0作為控制斷面,根據(jù)式(1)計算控制斷面水深為14.62cm,由此設(shè)計放水流量分別為0.03,0.06和0.08m3/s.1.3水堰校核試驗首先將橋墩布置于動床上(見圖1),利用電磁流量計和進水閥門控制放水流量,并用槽后泄水渠中的三角量水堰校核.通過尾門調(diào)節(jié)控制上游0-0斷面水深,以控制槽中的流速.根據(jù)水流條件和泥沙特性,每組次試驗放水歷時3h.在放水過程中,進行流態(tài)、流速、水位和沖刷觀測,放水結(jié)束后測量沖刷地形.2試驗結(jié)果及分析2.1橋墩速度分布特征2.1.1速和墩后流速分布不均勻,造成墩前沖刷嚴重圖2為放水流量0.06m3/s時不同橋墩布置形式下上游墩前斷面和下游墩后斷面流速分布.由圖可見,90°布置時墩前表流速和墩后底流速相對比較平穩(wěn),而墩前底流速和墩后表流速分布不均勻,這是由于橋墩布置軸線與水流方向相垂直,橋墩阻水作用顯著.墩前底流速紊動強烈,造成墩前沖刷嚴重;墩后表流速紊動強烈,造成墩后水流向下游波動較遠.30°和60°布置時,傾斜于順?biāo)鞣较?上(下)游墩前斷面流速基本不受下(上)游橋墩影響,流速僅在橋墩周圍減小,其他部位流速變化不大;由于橋墩阻水作用影響,水流流向偏向右岸,縱向流速減小,橫向流速變化劇烈,沖刷程度減輕.0°布置時由于僅有河床右邊受到橋墩影響,左邊水流由于無橋墩影響,水流平順,沖刷輕微.2.1.2橋墩縱向內(nèi)流速和表流速分布由于橋墩的阻水作用,墩前水流一部分繞墩而過,一部分分散成向上、向下不同方向水流,致使流向、流速分散,縱向流速減小;而沒有橋墩影響的水槽部分,則水流沒有大的改變,保持原有流速和流向.橫向流速在橋墩周圍紊動強烈,流速分布雜亂無章,即水流在墩前分左右兩側(cè)繞墩流過.這些現(xiàn)象在底流速中表現(xiàn)明顯,而表流速則不同,隨著觀測斷面向下游發(fā)展,橫向表流速逐漸增大,這是由于橋墩的介入、過水?dāng)嗝鏈p小所致.總體來看,橋墩的介入改變了過流斷面原有的水流特征,流速、流向均發(fā)生了變化.圖3為橋墩布置與流向成30°夾角時中墩上、下游斷面縱向底流速和表流速分布.由圖3可見,在上游部分,水槽左岸水流已經(jīng)受到橋墩的阻水作用,流速在斷面2和斷面4(即上游前排1#和2#墩后)明顯減小,在其他測點上由于未直接受到橋墩的阻礙,僅受到水流的波動影響;而在水槽的右半部分,由于橋墩位于下游,沒有對上游水流產(chǎn)生直接影響,所以靠右半部分測點上流速分布比較均勻,波動不大.從圖3還可見,中墩上、下游流速分布特征正好相反,在中墩下游,水槽左半部分水流已經(jīng)遠離橋墩,逐漸趨于均勻,而右半部分水流開始遭遇橋墩,受到橋墩的阻礙,在上游前排墩后,流速急劇降低.橋墩與水流方向30°夾角時的流速分布特征和規(guī)律,同樣適用于其他傾斜角度布置的橋墩水流流速分布情況.2.1.3橋墩周圍水流橋墩與流向成60°布置,流量Q=0.08m3/s時斷面流速沿程分布見圖4.圖中,斷面起始測點位于橫斷面Su3上,V40表示距水槽右岸40cm縱斷面,其余類推.從圖4可見,在橋墩上游斷面Su3和Su2,水流基本不受橋墩的阻水影響,沿過水?dāng)嗝媪魉倨椒€(wěn)、分布均勻.在橋墩周圍的各觀測斷面Su1至Sd2,流速則變化劇烈,水流紊動強烈,這是由于橋墩的阻礙作用所致;而在觀測斷面Sd3以后,水流又脫離了橋墩的影響,逐漸恢復(fù)均勻,但波動依然存在.2.2混合沖刷橋墩周圍流速達到泥沙起動流速時,泥沙開始起動,沖刷坑開始形成和發(fā)展.橋墩沖刷初期,橋墩前的行近水流受橋墩阻擋分向橋墩兩側(cè),迎水面橋墩前兩側(cè)首先沖刷,然后再向橋墩前沿擴展,并逐漸刷深,范圍擴大;此時,橋墩兩側(cè)也在同步刷深、拓寬.由于分離漩渦的作用,泥沙從沖刷坑內(nèi)搬運到坑外時呈螺旋形上升,一部分被帶向橋墩下游掩護區(qū)內(nèi)形成沙埂,一部分則被主流帶走.迎水面墩前沖刷坑在沖刷開始后很快成形并在較短時間內(nèi)趨于穩(wěn)定,當(dāng)墩前的沖刷達到基本平衡時,墩兩側(cè)沖刷坑仍在繼續(xù)刷深、拓寬.隨時間推移,下游淤積逐漸增多,導(dǎo)致阻力增大,輸沙能力減弱,加上沖刷坑的沖刷深度和范圍逐漸增加,使得坑內(nèi)泥沙越來越難于搬運出坑外,僅在沖刷坑內(nèi)進行局部調(diào)整.坑外淤積體的形態(tài)變化漸趨穩(wěn)定,沖刷坑內(nèi)的局部調(diào)整也逐漸停止,最后橋墩周圍的沖刷坑在一定深度和范圍下基本定型,均為典型的馬蹄渦形.橋墩的沖刷范圍和沖刷深度雖隨水文地質(zhì)條件、橋墩幾何尺度以及所處位置相異,但沖刷發(fā)展情況和過程類同,最大沖深發(fā)生位置也相近,均發(fā)生在迎水面靠近橋墩前沿和橋墩的兩側(cè).2.2.1橋墩沖刷現(xiàn)象圖5為與水流方向成不同角度布置的橋墩沖刷結(jié)束后的床面特征.30°,60°和90°布置時,橋墩均勻分布于整個床面上,水流受阻嚴重,沖刷劇烈,其中90°布置時影響最大,沖刷最嚴重.在30°和60°布置情況下,水流在圓柱橋墩上游接近橋墩時水位開始壅高,但壅高程度小于90°布置橋墩.兩側(cè)布置橋墩的沖刷程度小于中間布置橋墩,當(dāng)橋墩由左岸向右岸傾斜布置時,沖刷較嚴重的是靠近右岸側(cè)的第2排橋墩.同時可見,兩排橋墩沖刷較嚴重的是上游布置的一排橋墩,其墩頭前部沖坑最深,兩排橋墩之間和下游橋墩后部沖刷減輕.但在橫向兩排橋墩之間水流通過時,由于受到橋墩處過水?dāng)嗝娴臄D壓作用,流速增加,沖刷強烈.由于橋墩的影響,橋墩下游水流流向發(fā)生了變化.橋墩由左岸向右岸傾斜布置時,下游流向偏向右岸,從而導(dǎo)致河床右岸沖刷,左岸淤積.30°布置時,由于橋墩軸向傾斜大,水流流向改變,流速分布發(fā)生了變化,縱向流速減小,故沖刷減輕.在圓柱橋墩順流向即0°布置時,由于橋墩集中列于一岸,對河床斷面改變小,水流受阻較輕,僅在橋墩布置周圍流速受阻紊動,在遠離橋墩的另一邊水流不受影響,因此水流結(jié)構(gòu)變化小,沖刷輕;在不同水流條件下(只是0°布置時),上游布置的3排橋墩附近均有沖刷現(xiàn)象,但沖刷程度由上游向下游逐漸減緩,而下游布置的2排橋墩附近卻出現(xiàn)了明顯的淤積現(xiàn)象;在橋墩布置于右岸時,橋墩右側(cè)河床有明顯的沖刷現(xiàn)象,相反,在橋墩下游靠近左岸卻發(fā)生了明顯的淤積.2.2.2沖刷穩(wěn)定情況根據(jù)試驗觀測,沖刷均有一個先強后弱的過程.在沖刷初始階段,沖坑深度變化較大,當(dāng)沖刷歷時達到一定值時,沖刷強度減弱,沖淤趨于穩(wěn)定.圖6所示為橋墩30°布置、放水流量為0.06m3/s時,實際測定的上游前排橋墩沖刷過程.可見,沖坑深度隨時間變化程度前期波動比后期大.由于墩前泥沙運動是沖刷和淤積同時進行,在沖刷開始前期,沖、淤變化較大,關(guān)系曲線波動大;隨著沖刷的發(fā)展,沖、淤逐漸趨于平衡,河床地形趨于穩(wěn)定.在沖刷歷時1800s左右,各個橋墩沖坑深度已基本達到最大值,分別為3.85,4.24,3.93,3.70和2.98cm,而后沖深有所變化,但在隨后的8200s時間內(nèi),沖坑深度變幅均未超過1.25cm,可認為河床達到?jīng)_淤平衡.橋墩沖刷坑內(nèi)最深點處流速變化和沖坑深度變化過程類似.橋墩軸向與水流方向呈30°布置、流量Q=0.06m3/s時,橋墩沖刷坑內(nèi)流速隨時間變化過程如下:10:00:00時,流速為0.39m/s;10:20:11時,流速為0.34m/s;10:40:34時,流速為0.32m/s;11:00:19時,流速為0.31m/s;11:30:17時,流速為0.30m/s.可見,在沖刷開始后20min內(nèi),流速減小了0.05m/s,而在隨后的70min內(nèi),僅變化了0.04m/s.剛開始放水時,橋墩周圍沒有被沖刷,上游來水繞過橋墩流向下游,此時,橋墩迎水面頭部處流速最大.隨著水流的不斷沖刷,水深加大,相應(yīng)在橋墩前部所形成的沖刷坑內(nèi)隨著深度的增加,流速相應(yīng)減小.由于沖刷開始階段,沖刷深度變化劇烈,所以流速變化相應(yīng)比較大.隨著沖刷漸趨穩(wěn)定,流速變化也漸趨穩(wěn)定.沖刷穩(wěn)定歷時受橋墩布置方式和放水流量影響.當(dāng)橋墩軸向與水流方向成0°,30°,60°和90°依次布置,流量Q=0.03m3/s時,沖刷穩(wěn)定歷時依次為4028,4169,4439和4811s;流量Q=0.06m3/s時,沖刷穩(wěn)定歷時依次為3887,4093,4068和4542s;流量Q=0.08m3/s時,沖刷穩(wěn)定歷時依次為3052,3269,3994和4217s.可見,橋墩順?biāo)鲀A斜布置時,通過橋墩的水流方向變化,偏離水槽左邊墻,其沖刷深度隨時間變化波動變大,沖刷歷時變長.同時,隨著放水流量的減小,歷時也增大.可以看出,沖刷穩(wěn)定歷時最長的是垂直布置,放水流量0.03m3/s時,需4811s,最短歷時是順流向0°角布置,放水流量0.08m3/s時,需3052s.2.2.3橋墩沖刷規(guī)律不同流量下各角度時前后排橋墩最大局部沖深結(jié)果見表1.如表1所示,最大沖深位置均在上游前排橋墩處,最小沖深位置均在下游后排橋墩處,且前排沖深均大于后排沖深.不同流量時,最大沖深位置均在上游前排1(2)#墩處,最小沖深位置均在下游后排4#橋墩處.這是因為上游前排橋墩對下游后排橋墩產(chǎn)生了阻水作用,流速減小,流速分布調(diào)整,從而使得下游后排橋墩的沖刷沒有上游前排橋墩沖刷嚴重.從整體上來看,沖刷隨著放水流量的加大,即水槽中流速的加大而加劇,沖深和沖刷范圍增大.當(dāng)橋墩軸向傾斜流向布置,由于橋墩作用,流向改變,流速分布結(jié)構(gòu)重新調(diào)整,縱向流速減小,故沖刷減輕,局部沖刷深度和范圍有所減小.可以看出,在相同放水流量時,沖深最大出現(xiàn)在橋墩軸向垂直流向布置時,其值為7.66cm(2#墩),其次是與流向成30°夾角布置時,最大沖深為7.22cm(2#墩),最小值出現(xiàn)在順?biāo)飨虿贾脮r,在放水流量為Q=0.03m3/s,沖深僅有1.27cm深(4#墩),最大沖深和最小沖深相差4.39cm.總體來說,順?biāo)飨虿贾脮r的沖刷都輕于其他布置方式,沖刷嚴重程度由大到小依次為90°,60°,30°,0°.分析表明,隨著阻水建筑物軸線角度的調(diào)整,水流方向也隨之改變,偏離水槽左邊墻,導(dǎo)致水槽右邊墻比左邊墻沖刷嚴重,且隨著流量和流速增大,橋墩兩側(cè)的擠壓繞流增大,在流向上更加偏離橋墩,而由于水槽邊壁的影響,擠壓繞流嚴重區(qū)域逐漸向水槽中間偏移,導(dǎo)致流速最大墩點向中間偏移,即隨著流量的增大,墩前最大沖深位置逐漸朝水槽中間移動,但最小沖深位置則一直位于橋墩兩側(cè).但當(dāng)橋墩順流向0°角布置時,沖刷規(guī)律有所不同.上游前排1#橋墩沖刷最嚴重,一直延續(xù)至后面的2#墩,到了第3排橋墩附近,沖刷減弱,地形稍微隆起,在整個橋墩所處位置,地形呈現(xiàn)橋墩處地面低凹、橋墩后地面凸起的連綿起伏.過了橋墩后,在橋墩下游附近河床輕微沖刷,之后逐漸淤積.而在橋墩的左側(cè)河床沖刷嚴重,右側(cè)河床由于比較開闊,沖刷程度減輕,且地形平整,在墩后正下游方向,出現(xiàn)了明顯的2條小隆起,中間地形低凹,向下游延伸約2m遠.2.2.4行近流速對下游關(guān)于沖刷的影響觀測沖刷后的地形發(fā)現(xiàn),隨著放水流量的增加,沖刷范圍增加.這是因為沖刷范圍受行近流速的影響較大,當(dāng)其他條件不變時,行近流速大則沖刷