橋墩局部沖刷計算方法研究

橋墩局部沖刷計算方法研究

許多橋梁洪水是由橋梁磨損造成的。正確預測橋墩局部磨損深度是橋梁設計的一個重要課題。半個世紀以來,很多國家的學者對橋墩局部沖刷做了大量的模型試驗研究,獲得了豐富的試驗資料,并為橋墩設計預測橋墩沖刷深度提供了計算方法。但是,理論研究和試驗結(jié)果都必須經(jīng)受實橋觀測資料的檢驗。1954年,前蘇聯(lián)雅洛斯拉夫切夫根據(jù)墩前水流動能和沖走泥沙能量消耗相平衡的假定,建立橋墩沖刷深度公式。隨著人們對橋墩繞流旋渦體系及床面泥沙運動引起局部沖刷過程的進一步認識,發(fā)現(xiàn)橋墩沖刷深度hb在床面泥沙起動前,隨流速V增加很快,變化率dhb/dV較大;在床面泥沙起動后,因沖刷坑內(nèi)泥沙得到上游床面泥沙補給,沖刷深度增加緩慢,變化率dhb/dV很小,床面泥沙起動流速是兩者的分界限。1964年,中國土木工程學會橋梁工程委員會舉行了橋渡沖刷學術會議,在橋梁繞流旋渦體系及泥沙運動的基礎上,匯總?cè)珖芯砍晒?制定了供生產(chǎn)試用計算橋墩局部沖刷的65—1和65—2式,并且都寫入中國公路、鐵路有關規(guī)范,這2個公式應用20多年后,分別加以修正簡化,更為合理。特別是《公路橋位勘測設計規(guī)范(JTJ062—91)》中的65—2修正式,即h0=0.46KξB0.6h0.15D?0.07?[(V?V′0)/(V0?V′0]n(1)h0=0.46ΚξB0.6h0.15D-0.07?[(V-V′0)/(V0-V′0]n(1)應用世界各國500余項不同類型河流中橋墩沖刷實測資料進行驗證,表明計算值與實測值符合較好。但是,這類公式中因含有河床質(zhì)起動流速V0和橋墩床面起沖流速V′0,計算較為復雜。本文試圖在上述沖刷機理的基礎上,通過實測資料的分析,建立1種型式簡明,便于生產(chǎn)應用的預測橋墩沖刷深度的計算公式。1局部橋墩磨損機1.1馬蹄形螺旋組合橋墩周圍的水流結(jié)構(gòu)主要包括墩前向下水流、墩前沖擊波和橋墩周圍水流場的旋渦體系。旋渦體系是1種水流結(jié)構(gòu),是預測橋墩局部沖刷的主要因素。其中包括墩前沖刷坑邊緣形成的繞橋墩內(nèi)側(cè)流向下游的馬蹄形旋渦,它在墩前將使向下流動的最大流速位置更靠近橋墩;墩兩側(cè)由于流速梯度產(chǎn)生的邊界分離,形成立軸旋渦;向下游移動的尾流旋渦,不斷地從橋墩兩側(cè)釋放出來,促進沖刷過程的發(fā)展,象真空吸塵器一樣,每個旋渦形成1個低壓中心,牽動馬蹄形旋渦區(qū)內(nèi)的流體不斷地進行橫向、豎向和前后擺動,劇烈淘刷橋墩迎水端和周圍泥沙,形成局部沖刷坑。如圖1所示橋墩附近的水流結(jié)構(gòu)。1.2沙坑下魚沙沖刷squere-scur河流流速V小于床沙起動流速V0,床面泥沙靜止不動。但是,橋墩周圍因繞流而使局部流速增大,首先橋墩上游兩側(cè)達到或超過起動流速V0,該處泥沙移向下游,開始出現(xiàn)沖刷坑。這時沖刷坑內(nèi)無上游來沙補給,稱為清水沖刷(ClearWaterScour);當河槽內(nèi)流速超過起動流速時,床沙處于運動狀態(tài),沖刷坑內(nèi)得到上游來沙補給,沖刷深度隨流速而增大,但是沖刷率明顯減小,這種沖刷稱為動床沖刷(MovingBedScour)。如圖2為梅江寧河橋6號墩局部沖刷觀測資料繪出的沖刷深度與墩前行近流速的關系曲線圖。2計算橋墩局部磨損深度的公式的確定2.1近水流深度、泥沙流動特征因素假定水流為恒定均勻流,影響橋墩沖刷的因素歸納為下列幾方面:(1)流體特征因素:流體密度ρ、流體運動粘度v、重力加速度g;(2)流動特征因素:行近水流深度h、弗汝德數(shù)Fr、水流方向與墩軸的夾角θ;(3)河床質(zhì)特征因素:泥沙密度ρs、泥沙粒徑D、粒徑級配結(jié)構(gòu)、土壤粘性;(4)橋墩特征因素:橋墩形狀Kξ、橋墩計算寬度B。2.2國外實測資料的分析橋墩局部沖刷深度hb與主要因素h、D、Fr、B、Kξ的關系可表示成下列無量綱函數(shù)hb/B=f(h/B,D/B,Fr,Kξ)hb/B=f(h/B,D/B,Fr,Κξ)根據(jù)量綱分析原理可寫成hb/B=KKξFar(h/B)b(D/B)c(2)hb/B=ΚΚξFra(h/B)b(D/B)c(2)上式中的系數(shù)和指數(shù),根據(jù)各國橋墩沖刷現(xiàn)場觀測資料應用多元回歸分析來確定。這些實測資料包括中國資料212項,美國、加拿大和新西蘭資料79項,前蘇聯(lián)各加盟共和國和前南斯拉夫資料109項,共計400項。這些資料覆蓋了亞洲、北美洲、歐洲和大洋洲的長江、黃河、密西西比河、伏爾加河、多瑙河等大江河和山區(qū)急流的小河以及大型運河上的各類橋梁。這些資料各項水力因素數(shù)值的范圍很廣:水深h(m)0.20～18.50流速V(m/s)0.15～4.32料徑(mm)0.008～150流向偏角θ(°)0～45應用計算機對國內(nèi)外400場實測資料進行多元回歸分析,得到三元回歸方程hb=0.61Kξh0.596B0.532D?0.128F0.305r(3)hb=0.61Κξh0.596B0.532D-0.128Fr0.305(3)復相關系數(shù)R=0.70,若取信度α=0.05,Fα=2.60,則Rα=0.14。由此可知,R>Rα,表明回歸方程(3)和各項實測資料關系是密切的。為了便于公路工程設計者的使用,將式(3)簡化為hb=0.304Kξh0.29B0.53D?0.13V0.61(4)hb=0.304Κξh0.29B0.53D-0.13V0.61(4)式中:hb為橋墩局部沖刷坑深度(m),由一般沖刷后床面算起;Kξ為墩型系數(shù),見《公路橋位勘測設計規(guī)范(JTJ062—91)》;h為行進水流深度(m),取一般沖刷后水深;B為計算墩寬(m);D為河床質(zhì)平均粒徑(m);V為行進流速(m/s),取一般沖刷后墩前流速。2.3實測橋墩局部沖刷深度和計算值相對誤差本文利用計算機處理了大量的現(xiàn)場觀測資料,公式(4)相對誤差DDY≤+30%所占百分比為32.5%,DDY≤+50%所占百分比為61.5%,其中相對誤差DDY=(實測值-計算值)/實測值,圖3所示實測橋墩局部沖刷深度和計算值的相關圖。3數(shù)值精度比較現(xiàn)選擇幾個典型的實測資料,運用不同的計算公式,即《公路橋位勘測設計規(guī)范(JTJ062—91)》給出的65—1修正式、65—2修正式及本文式(4)進行計算,數(shù)值精度比較見表1。4局部沖刷深度的計算方法(1)河床質(zhì)是由大小不同的泥沙顆粒組成的,實橋觀測資料表明:實橋沖刷過程中,清水沖刷和動床沖刷2階段并無截然的分界點。由床沙平均粒徑D計算的起動流速V0,只是反映平均狀態(tài)下2種沖刷分界的估計值。本文從分析橋墩繞流旋渦體系及床面泥沙運動,從橋墩局部沖刷的機理出發(fā),根據(jù)清水沖刷和動床沖刷的實測資料,采用1條曲線擬合的方法,得到了預測橋墩局部沖刷深度的計算公式(4)。(2)本文應用了國內(nèi)外