基于分步法的采沙河床橋墩沖刷深度計算

基于分步法的采沙河床橋墩沖刷深度計算

近年來，隨著城市建設規(guī)模的發(fā)展，建設項目中的砂砂量急劇增加，鄰近城市河流的隨地排沙對河道工程的安全構(gòu)成威脅。采沙河道的河床演變及其對建筑物、防洪等的影響成了研究的新課題。對于跨河大橋,橋墩周圍河床的沖刷深度決定了橋墩基礎的安全埋置深度。橋墩沖刷與眾多因素有關,一是水沙因素,包含流速、水深、泥沙粒徑、泥沙顆粒級配、床沙黏性等,二是橋墩因素,包括橋墩形狀、橋墩迎水面寬度、橋墩長度,橋墩與水流方向夾角等。橋墩周圍的水流結(jié)構(gòu)為三維馬蹄形結(jié)構(gòu),使得沖刷計算非常復雜。工程設計中,橋墩周圍河床的沖刷深度計算是將河床一般沖刷計算和局部沖刷分別計算的,二者之和決定橋墩基礎的埋深。一般沖刷是指由于橋梁建筑物侵占河流的過水斷面,使水流流速及挾沙力增大而造成的河床沖刷。局部沖刷則是指橋墩周圍的馬蹄形渦流造成的河床沖刷。實際上,跨河橋墩的一般沖刷和局部沖刷幾乎是同時完成的,由于沖刷機理復雜,工程設計中將其進行了分步過程假設,即假定一般沖刷先發(fā)生,當一般沖刷完成后才發(fā)生局部沖刷。近年來河床采沙破壞了天然河流條件,給橋墩沖刷計算提出了新的問題,橋墩沖刷還要首先考慮采沙引起的非平衡河床演變,使橋墩沖刷問題研究更趨復雜。本文結(jié)合工程實例介紹了作者研究采沙河床橋墩沖刷計算的一種方法,這種方法能解決一定的工程問題。1砂河床修復機分析1.1泥沙擊穿特性由于較大規(guī)模的采沙使河床沿水流方向出現(xiàn)突然凹陷,在坑內(nèi)出現(xiàn)渦旋水流,增加了采沙坑邊壁紊動應力,沙坑邊坡更容易被沖刷。采用紊流代數(shù)應力模型可以對此計算采沙坑邊坡角度對水流切應力的影響,圖1示出了采沙坑邊坡角度α=0(矩形)和α=45°(有邊坡)時的邊壁應力,表明邊坡越陡則邊壁應力越大。河床面水流切力是泥沙起動的根本因素。文獻計算的流速矢量縱剖面還表明,采沙坑的背水坡面流速較大且附近有較強的渦旋流,而迎水坡流速較小且渦旋流較弱。采沙坑背水坡面較強的渦旋流產(chǎn)生床面較強的切應力,所以背水坡面較迎水坡面易沖刷。這一點還可從泥沙起動原理來說明。設uc為水平河床上泥沙起動流速,u′c為斜坡上泥沙起動流速。F′R為水平河床的阻力,F′D為水流對泥沙的推移力,則下式可成立式中K為式中:m=ctgα,m0=1/tgφ為自然斜坡系數(shù);tgφ為摩擦系數(shù)。由式(1)和式(2)可以看出u′c=Kuc,當背水坡面泥沙較易起動,及迎水坡面泥沙較不易起動。背水坡面的沖刷是逐步向上游發(fā)展的,因而形成溯源沖刷。發(fā)生溯源沖刷河段的挾沙能力與流量和床面比降有關,床面比降越大或流量越大均使河段挾沙力增大。沙坑溯源沖刷的平衡狀態(tài)可用平衡比降Jc描述,Jc與水流強度及泥沙顆粒大小有關。曹文洪等人的研究表明,相同流量下溯源沖刷平衡比降Jc比沿程沖刷平衡比降大,說明溯源沖刷長度較沿程沖刷短。1.2qpm沖刷平衡河流上修建橋梁,橋墩及橋臺等結(jié)構(gòu)物侵占過流斷面,壓縮過流寬度,引起橋下斷面水流的單寬流量增大,水流挾沙能力增大,引起橋址斷面附近河床垂向沖刷,稱為一般沖刷。一般沖刷計算原理是水流連續(xù)方程:式中:qpm為沖刷平衡時斷面上最大單寬流量(m3/m·s);vs為沖刷平衡時垂線平均流速(m/s);hpm為沖刷平衡時斷面上最大水深(m)。1.3橋墩兩側(cè)立軸群旋橋墩局部沖刷是指橋墩周圍渦旋流產(chǎn)生的沖刷。水流受到橋墩的阻擋,水面向上彎曲,一定水深以下水流傾斜向下,在床面處形成橫軸環(huán)狀渦旋帶,繞墩水流在橋墩兩側(cè)形成立軸渦旋。墩周泥沙被渦旋流卷起,由墩側(cè)水流挾帶至下游落淤,墩周形成局部沖刷坑。決定局部沖刷的主要因素有:墩前水流的行近流速v、水深、橋墩寬度B、橋墩形狀、河床質(zhì)粒徑d及顆粒組成、河床泥沙起動流速v0等。我國橋梁工程中計算橋墩局部沖刷平衡深度均采用經(jīng)驗公式。根據(jù)以上分析,可假定采沙河床橋墩沖刷分別由采沙坑演變、一般沖刷和局部沖刷三步獨立完成,依次計算水流作用下各部分沖刷結(jié)果,并采用疊加原理計算采沙河床橋墩總沖刷。2磨損計算方法2.1沙井的沉積過程本文采用下列一維水沙運動方程和河床變形方程計算(1)水流連續(xù)公式(2)水流方程(3)河流床變形公式(4)水流中的砂力公式(5)循環(huán)沙率公式(6)聯(lián)沙方程采用差分法對上述方程進行離散求解,則各斷面的沖淤厚度由下式得出ΔZ正值為淤,負值為沖。2.2泥沙粒徑hcy一般沖刷計算的經(jīng)驗公式按黏性土和非黏性土區(qū)分,對于非黏性土河床采用如下計算式:式中:A為單寬流量集中系數(shù);q為單寬流量(m3/s.m);hmax為斷面最大水深(m);h為斷面平均水深(m);d為泥沙平均粒徑(mm);E為與汛期含沙量有關的系數(shù)。式(13)得到的hp為一般沖刷后的最大水深,由此可得出一般沖刷最大厚度。2.3非黏土河口局部沖刷深度由于橋墩周圍水流結(jié)構(gòu)及泥沙運動機理復雜,工程中仍使用經(jīng)驗公式計算,我國在橋梁工程中對于非黏性土河床采用如下公式計算橋墩局部沖刷深度hb式中:hb為橋墩局部沖刷坑深度(m);v為一般沖刷后墩前行近流速(m/s);B1為橋墩計算寬度(m);Kξ為墩形系數(shù);Kη為河床顆粒影響系數(shù);v′0為墩前始沖流速(m/s);n為指數(shù)。3橋修復結(jié)果顯示分析3.1采沙形成海河流域滹沱河某段河槽寬度約470m,深度約8.8m,有某大橋橫跨該河段,并排的橋墩14個,共侵占水流過流寬度110m。橋址斷面河槽最大容許泄量為3300m3/s,超過此流量則形成漫灘水流。近年來橋斷面以上1000m、以下5000m范圍內(nèi)有大量采沙活動,河床上形成不規(guī)則沙坑,見圖2。采沙形成局部較大范圍內(nèi)河床突降,最大沙坑深度約35m,沙坑距橋距離最近的約400m,見圖3。圖3為河槽某縱斷面,橫坐標以大橋軸線為起點。河床質(zhì)為非黏性散顆粒泥沙,泥沙中值粒徑為d50=0.2mm的粗沙,河床以下沙層粒徑基本均勻,偶有非連續(xù)薄黏性顆粒層。由于河床條件的復雜化,本文采用上述橋墩沖刷計算的分步思路,將采沙河段橋墩沖刷計算按不同的機理分析處理,然后將各部分沖刷結(jié)果進行疊加。3.2沙坑溯源沖刷對橋址局部沖刷的影響本文僅考慮橋下游沙坑溯源沖刷對橋墩沖刷的影響,進行了不同水流條件的計算。圖4為不同流量時橋址下游400m處采沙坑溯源沖刷距離和厚度hs,圖中橫坐標1、2、3、4、5分別表示橋址斷面、距橋下游100m、200m、300m、400m。計算結(jié)果表明,Q=1000m3/s時采沙坑的演變未影響橋址斷面河床,Q=2000m3/s時采沙坑的溯源沖刷使橋址斷面河床產(chǎn)生0.24m下切,當Q=3000m3/s時橋址河床下切0.57m,這一結(jié)果與原型觀測值Q=3650m3/s時橋址河床下切0.7m很接近。假定橋下一般沖刷發(fā)生在采沙坑演變趨于平衡之后。由式(13)計算得出一般沖刷斷面最大水深后,可根據(jù)一般沖刷前水深計算出一般沖刷河床下切厚度hg。圖5表示了橋下河床一般沖刷厚度隨流量增長的關系。橋墩局部沖刷是繼橋下一般沖刷完成后發(fā)生的。由計算公式(14)和(15)看出,在相同的水沙條件下橋墩局部沖刷深度與橋墩寬度和橋墩形狀有關。圖6給出了該橋某橋墩的局部沖刷深度隨流量的變化。根據(jù)前述疊加假定,不同流量下采沙河床某橋墩總沖刷深度匯于表1。表中還列出了溯源沖刷厚度、一般沖刷厚度及橋墩局部沖刷厚度占橋墩總沖刷厚度的比例?？梢?在本工程實例中,沙坑溯源沖刷影響不大,Q=3000m3/s時最大占7%,一般沖刷厚度在各流量下占比例最大為61.1%～83.1%,局部沖刷厚度占16.9%～31.9%。當然,不同的沙坑位置、深度和水流強度引起的溯源沖刷明顯不同,甚至會造成較大災害。4要對采沙河口橋墩沖刷深度的影響本文分析了采沙河床上橋墩沖刷機理,并采用分步方法對橋址下游采沙坑溯源沖刷、橋下一般沖刷和橋墩局部沖刷平衡深度進行了計算,采用三者沖刷結(jié)果的疊加假定確定采沙河床橋墩總沖刷深度。對于本文的工程實例,由于橋址下游采