透水框架在橋墩周圍的防護方法研究

透水框架在橋墩周圍的防護方法研究

目前，我國主要的措施是緩解拋石防護和民用織物壓力。其中拋石防護的技術(shù)要求較高、整體性較差、運用中的維護費用和工作量較大,特別是沙質(zhì)河床平順拋石的穩(wěn)定坡度必須滿足三個條件:①不小于河床土質(zhì)在飽和情況下的穩(wěn)定坡度;②不小于坡石在水流中的臨界休止角;③保證個別塊石在斜坡上不被水流沖動。土工織布上加壓載方法,以其與地形適應(yīng)性好,整體性抗沖能力強等優(yōu)點被越來越多的采用。但是該方法的不足是,施工較為復(fù)雜,當(dāng)水下地形較陡時,拋護效果不是很好?；谏鲜龇雷o方法的不足,研究新型、有效、經(jīng)濟的防護方法來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的防護工程措施具有重要的現(xiàn)實意義。四面體透水框架防護是路橋水毀防護工程中新型的防護型式,是為堤岸防護而研制的,在江西省長江南岸和洲頭已試用成功。研究證明,四面體透水框架比傳統(tǒng)的實體材料經(jīng)濟實用,可以在床面上按需要布置移動,重復(fù)使用,又可以實現(xiàn)工廠標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn),對基腳的防護效果較好,而且投資少,施工方便。將這種透水框架布設(shè)在橋墩周圍構(gòu)成防護工程,當(dāng)含沙水流通過灘面上的框架群時,可以降低流速,使泥沙落淤在灘面上。四面體透水框架拋投防護方法在護岸工程中進行過試驗研究,但關(guān)于橋墩附近四面體透水框架拋投防沖效果的研究還沒有。因此,本文針對四面體透水框架的防護特點通過河工水槽進行了橋墩附近四面體框架拋投防沖效果的試驗研究,得到了一些有價值的結(jié)論。1橋墩沖刷形成原因橋墩是一個阻水建筑物,從投建到使用,橋墩周圍的水流結(jié)構(gòu)和沖刷發(fā)展過程一直是很有工程價值的問題,已有的研究表明,橋墩周圍的水流結(jié)構(gòu)主要包括墩前向下水流,墩前水面涌波和尺度很大的旋渦體系(其中包括在墩前沖刷坑邊緣形成的繞橋墩兩側(cè)流向下游的馬蹄形旋渦和橋墩兩側(cè)水流分離引起的尾流旋渦,如圖1所示)。橋墩迎水面的豎直對稱軸上,水流的行進流速為0,轉(zhuǎn)化為駐點壓力,駐點壓強為0.5ρV2(其中ρ為流體密度),流速沿垂線自水面向下減小,墩前向下的壓力梯度使水流向下流動,向下的流速沿水深變化,駐點壓力不僅引起水流向下流動,而且還導(dǎo)致出現(xiàn)橋墩兩側(cè)繞流的側(cè)向加速度。因此,引起橋墩沖刷的主要原因:一是由于橋墩阻水使得墩前局部水面雍高,從而產(chǎn)生垂向水流下切河床;二是由于橋墩阻水形成側(cè)向繞流產(chǎn)生馬蹄形旋渦淘刷兩側(cè)床面。根據(jù)模型試驗資料可知,橋墩局部沖刷深度hb與橋墩上游來流流速V(以垂線平均流速表示)有關(guān)。當(dāng)流速V增大到一定數(shù)值時,橋墩迎水面兩側(cè)的泥沙首先被沖走,局部沖刷坑開始出現(xiàn),此時的V稱為起沖流速V′0。當(dāng)V0>V>V′0(V0為起動流速)時的沖刷條件稱為清水沖刷。當(dāng)V增大到V>V0時的沖刷條件稱為動床沖刷。當(dāng)沖刷坑內(nèi)的泥沙補給率與輸出率趨于平衡時,則沖刷趨向平衡沖刷深度即極限沖刷深度。根據(jù)下文分析可知,四面體框架群能夠遏制或減少旋渦形成,改變橋墩附近水流結(jié)構(gòu),從而達到防沖促淤的目的。2模型比尺及模型沙的選擇物理模型研究包括定床和動床兩部分,考慮到橋墩沖刷主要為推移質(zhì)泥沙,所以物理模型設(shè)計中主要考慮推移質(zhì)輸沙相似。推移質(zhì)泥沙模擬設(shè)計按要求一般應(yīng)滿足幾何相似、水流和泥沙起動相似及河床沖淤變形相似,本模型特別考慮以下因素:(1)模型應(yīng)做成正態(tài),即αL=αH(其中αL為模型平面比尺,αH為模型垂直比尺)。在變態(tài)模型內(nèi),垂線流速分布不相似。而對于橋墩沖刷問題,垂線流速分布變化對沙粒的落淤有較大影響。(2)水流運動方面,由于模型模擬范圍較小,在確保橋位斷面各墩位處水位和流速與原型相似的前提下,忽略阻力相似條件。但為了保證水流的縱向和橫向運動相似,要求滿足佛汝德定律,即αV=αH1/2(其中αV為流速比尺,αH為模型垂直比尺)。(3)模型比尺與模型沙的選擇,根據(jù)贛江南昌河段生米大橋橋位附近的水流條件和河床質(zhì)條件進行確定?？紤]到?jīng)_刷過程的粗化以及主橋區(qū)河床質(zhì)偏粗的特點,取d50=0.5mm作為大橋橋位區(qū)域的河床質(zhì)中值粒徑。經(jīng)分析其濕沙容重γ′0=1.60t/m3,淤積干容重γ′=1.40t/m3。另外,在現(xiàn)有的護岸工程中,空心四面體框架一般是由6根長1.2m、斷面0.1m×0.1m的混凝土桿件拼接而成的整體結(jié)構(gòu)。綜合以上因素并根據(jù)研究任務(wù)及試驗條件的限制,模型幾何比尺選定為1∶60。試驗采用長30m、寬3m、深1.2m的矩形斷面水槽,分別模擬橋墩附近180m寬的河床,試驗的有效段為中間的10m,前10m為進口消力池和過渡段,后10m為過渡段和沉沙池及尾門,流量由量水堰控制,水位由尾門控制,由測針讀數(shù)確定水位,在橋墩模型前面有流速儀測量水流行近流速,系統(tǒng)布置見圖2。選用中值粒徑d50=0.63mm的木屑作為模型沙,這種經(jīng)過防腐處理的模型沙經(jīng)實驗分析得其密實干容重γs=1.15t/m3,濕沙容重γ′0=0.60t/m3,淤積干容重γ′=0.48t/m3,級配曲線見圖3。模型沙鋪在模型選用中中間10m的動床有效段內(nèi),厚30cm。試驗采用連續(xù)拋投四面體框架形式,拋投區(qū)間為無防護沖刷時沖刷坑范圍,如圖4所示。沖刷歷時3h達到平衡,沖刷完成后用水準(zhǔn)儀進行地形測量。試驗采用循環(huán)水系統(tǒng),由矩形薄壁量水堰監(jiān)測流量,而且滿足矩形薄壁堰測量的流量與水槽斷面實測流量的相對誤差小于3%。試驗所采用的圓頭矩形柱墩的尺寸如圖4所示,采用如圖5所示尺寸的四面體框架。3局部沖刷坑深度t為了比較和檢驗?zāi)Ｐ驮囼灥某晒?特采用我國鐵道部科學(xué)研究院推薦的65-1改進公式,對上述橋墩墩前沖刷坑的深度進行了計算,計算條件是床面有輸沙(渾水沖刷),具體計算公式(65-1改進公式)如下:hs=κξ?κη1B0.6(V0?V′0)(V?V′0V0?V′0)n(1)hs=κξ?κη1B0.6(V0-V′0)(V-V′0V0-V′0)n(1)式中hs為橋墩局部沖刷坑最大深度,m;κξ為墩形系數(shù),查墩形系數(shù)表得κξ=0.98;κη1為系數(shù),κη1=0.8(1d0.45+1d0.15)；κη1=0.8(1d0.45+1d0.15)；V0為河床泥沙起動流速,按沙莫夫公式V0=4.6d13h16V0=4.6d13h16計算;V′0為墩側(cè)河床泥沙起沖流速,V′0=0.462(dB)0.06V0V′0=0.462(dB)0.06V0;n為指數(shù),n=(V′0/V0)0.25d0.19;B、d、h分別為墩寬、泥沙粒徑、水深。經(jīng)計算,當(dāng)主橋墩縱軸線走向與行近水流方向一致、行近水流深度為0.212m、行近流速為0.219m/s時,無防護措施的最大沖刷深度為11.2cm。4面體框架尺寸所謂的“四面體透水框架拋投防護方法”就是模擬拋石防護方法,用由六根規(guī)定尺寸的混凝土桿件構(gòu)成的正四面體框架代替石料,進行拋投防護的方法?？紤]到試驗水槽較寬,水深較大,框架本身尺度和堆放范圍較小,框架透水能力較強,而且經(jīng)計算滿足框架群在過流斷面上的投影與過流斷面的最大比值小于2%,故忽略框架堆放高度對橋墩段的過水面積和水位流量的影響。為了研究所拋投的四面體框架的數(shù)量,相對于橋墩的位置,以及四面體框架堆高對沖刷坑形態(tài)的影響,采用相同的穩(wěn)定流速和水深,分別進行了4組模型試驗。試驗結(jié)果見表1。4.1面體透水框架群由試驗觀測可知:①在無任何周邊防護措施時,沖刷坑的深度最大達到12.9cm,沖刷范圍最廣(見圖6(a))。②當(dāng)在橋墩周圍10cm范圍內(nèi)投放1～2層,10～20cm范圍內(nèi)投放1層共計1000個四面透水體透水框架時,模型主槽水面流速約為21.0～22.3cm/s,框架群內(nèi)的流速10.1m/s,明顯小于主槽流速。隨著放水時間的延續(xù),框架群內(nèi)的泥沙淤積面逐漸抬高,形成較明顯的灘地。放水歷時2小時10分時,泥沙淤積面已全部覆蓋四面體透水框架群。停水后觀測到,四面體透水框架在水流的沖擊下,除了最上游的少量框架受水流頂沖發(fā)生位移外,其它部位的框架仍保持原來擺放的位置。由此可見,受框架群的影響,泥沙淤積速度很快,落淤的泥沙對框架也起到了固定作用。沖刷坑最大深度與原始床面高差為-3.2cm,沖刷范圍也隨之減小到(見圖6(b))。③當(dāng)在橋墩周圍10cm處投放2～3層,10～20cm范圍內(nèi)1層共計1400個四面體透水框架時,模型主槽水面流速約為21.2～22.5cm/s,框架群內(nèi)的流速9.7m/s,明顯小于主槽流速。水流在穿過布置有框架的防護段時,流速受阻而減弱,水流平穩(wěn),泥沙落淤并形成灘地。隨著放水時間的持續(xù),防護段內(nèi)的地形逐漸淤高,放水歷時1小時50分時,大部分淤積灘地已埋沒框架群,停水后觀察,橋墩迎水面處的框架已被全部埋沒。實測淤積處灘地與原始床面的最大高差為2.2cm,(見圖6(c))。④當(dāng)在橋墩周圍10cm處投放3～4層,10～20cm范圍內(nèi)1層共計2000個框架時,主槽水面流速約為21.5～22.3cm/s,框架群內(nèi)的流速8.3m/s。放水歷時1小時40分時,大部分淤積灘地已埋沒四面體框架,停水后觀察,無沖刷坑出現(xiàn),同時在四面體框架拋投范圍內(nèi),出現(xiàn)更大程度的泥沙淤積,實測淤積處灘地與原始床面最大高差為3.3cm,(見圖6(d))。4.2面體透水框架群加速淤防沖技術(shù)以上試驗成果表明:①橋墩局部沖刷首先從墩頭兩側(cè)開始的,然后沖刷坑深度逐漸增加,沖刷坑的范圍逐漸變大。由于沖刷坑的出現(xiàn),水流在沖刷坑上游邊緣發(fā)生分離,進而在墩前沖刷坑邊緣形成繞橋墩兩側(cè)流向下游的馬蹄形旋渦,馬蹄形旋渦沿橋墩向下游發(fā)展并逐漸衰變?yōu)樗鞯奈蓜?。因為尾流旋渦能使上游來沙落淤在橋墩尾部,而且淤積量比較大,故沒有對墩尾附近的床面進行防護(見圖4)。②橋墩局部沖刷深度hb與上游來流流速V(以垂線平均流速表示)有關(guān),減小墩前行進流速能夠減小沖刷坑的深度。四面體框架群即有較強的透水性又有一定的阻水能力,通過在框架群內(nèi)設(shè)置流速井測得所拋投的四面體透水框架群能減小墩前行進流速達40%～60%,這樣墩前行進流速V不能夠增大到一定數(shù)值,使得水流在橋墩周圍的繞流有所減緩,從而使得橋墩墩頭迎水面處的行進流速和流向的變化就不那么劇烈了,在墩前形成的繞橋墩兩側(cè)流向下游的馬蹄形旋渦的強度也減弱了。破壞了局部沖刷坑生成的水流條件。③四面體透水框架群使原來順直流動的水流受到橋墩阻擋產(chǎn)生的水面雍高減小,很大程度上抑制了垂向流動的產(chǎn)生。因而水流對橋墩周圍的床面產(chǎn)生的下切淘刷力也有所減弱,保證了橋墩迎水面兩側(cè)床面上的泥沙不被沖走,從而抑制了局部沖刷坑的出現(xiàn)。④由三組防護試驗證明,四面體透水框架群減速促淤防沖效果,除了與水沙條件等有關(guān)外,還與所拋投的四面體框架的數(shù)量、布設(shè)的疏密程度和防護的范圍有關(guān)。拋投的四面體框架的數(shù)量越多,布設(shè)密度越大,效果越明顯。特別是在無防護沖刷時的沖刷范圍內(nèi)進行拋投時,防護效果顯著。⑤工程中,空心四面體框架一般由6根長1m、斷面0.1m×0.1m的混凝土桿件拼接而成的整體結(jié)構(gòu),單個的四面體透水框架重心較低,重量大,具有良好的