環翼式橋墩環翼式擋板最佳延伸長度試驗

成蘭艷，郝拉柱，牟獻友，裴國霞，張 亮

(1.內蒙古農業大學水利與土木建筑工程學院，內蒙古呼和浩特 010018;2.巴彥淖爾市河套水利水電勘察設計有限公司，內蒙古巴彥淖爾 015000;3.內蒙古新禹水利水電工程建設有限公司，內蒙古巴彥淖爾 015000)

環翼式橋墩環翼式擋板最佳延伸長度試驗

成蘭艷1，2，郝拉柱1，牟獻友1，裴國霞1，張 亮3

(1.內蒙古農業大學水利與土木建筑工程學院，內蒙古呼和浩特 010018;2.巴彥淖爾市河套水利水電勘察設計有限公司，內蒙古巴彥淖爾 015000;3.內蒙古新禹水利水電工程建設有限公司，內蒙古巴彥淖爾 015000)

為研究環翼式橋墩環翼式擋板的最佳延伸長度，進行了不同流速和不同環翼式擋板延伸長度下環翼式橋墩的局部防沖刷試驗。試驗結果表明:環翼式擋板的延伸長度不同，橋墩的沖刷效果有較大的差別，當環翼式擋板的延伸長度與橋墩的半徑相同時，與無擋板的橋墩相比最大沖坑深度可減小57.6%，近底垂向流速最大可減小70.4%，近底紊動強度也明顯減小，防沖刷效果顯著。

環翼式橋墩;擋板;延伸長度;沖坑深度;紊動強度

橋墩的局部沖刷是橋梁水毀的重要原因，國內外學者對橋墩的局部沖刷進行了大量的理論分析和模型試驗，并取得了一系列的研究成果，但由于橋墩周圍的水力特性以及沖刷過程比較復雜，影響因素較多，至今尚未提出橋墩周圍防沖刷的好方法，因此，繼續進行這方面的研究是十分必要的。目前，橋墩的局部沖刷防護仍處于探索階段，大多是基于局部沖刷公式以及數值模擬方法進行計算分析［1-4］。例如Melville等［5-7］根據試驗及實測數據建立了橋墩局部沖刷深度的計算公式;房世龍等［8-9］從橋墩局部沖刷的防護以及研究手段等方面進行了深入研究;張萬鋒等［10］初步研究了不同數量擋板組成的環翼式橋墩的防沖效果，認為環翼式擋板的存在可以有效防護橋墩的局部沖刷，并研究了擋板數量對橋墩局部沖刷的影響;成蘭艷等［11］曾在此基礎上研究了單一擋板的環翼式橋墩的防沖效果，并確定了環翼式擋板的最佳位置，本試驗主要是在文獻［11］的基礎上進行的后續研究。試驗借助物理模型，測量了不同工況下沖坑的最大沖刷深度以及橋墩附近的水流流速，通過分析三維時均流速和紊動強度來研究環翼式擋板的最佳延伸長度，為橋墩局部沖刷防護的深入研究提供了參考，具有重要的現實意義。

1 試驗原理與內容

圓柱形橋墩附近的水流主要包括下潛水流、墩前涌流、墩基沖擊水流、墩后上沖水流和墩后尾漩渦水流，其中下潛水流是橋墩局部沖刷破壞的主要原因。環翼式橋墩的局部沖刷防護就是通過環翼式擋板阻擋橋墩迎水面的下潛水流，改變水流流態，減小下潛水流直接對橋墩的沖刷，從而保護橋墩。

試驗主要根據上述原理，從以下幾個方面進行對比研究:①通過對比無擋板和有不同延伸長度環翼式擋板的情況，研究橋墩的局部防沖刷效果，確定方法的可行性;②通過改變擋板的延伸長度，研究橋墩附近的最大沖坑深度，確定擋板的最佳延伸長度;③研究不同工況下各測點的流速及其變化情況，通過分析三維時均流速和紊動強度進一步研究環翼式擋板的最佳延伸長度。

2 試驗裝置及試驗方案

試驗在長2000 cm、寬50 cm、高90 cm的玻璃水槽中進行，水槽底坡為0.124%。水溫基本恒定(18～20℃)，沖刷段鋪沙500 cm×50 cm×21 cm(長×寬×厚)，每次試驗前將鋪沙的床面抹平，并放水2 h直至沖刷穩定。橋墩模型采用內徑為4.5 cm的PVC管制成，擋板與河床的距離為水深的1/3，此時防沖刷效果明顯［11］。根據多次沖刷試驗，沖坑的寬度在4.5 cm左右，所以環翼式擋板延伸長度以4.5 cm為基準，即與橋墩模型的半徑R相同，再分別選取2/3R和1/2R，即3.0 cm和2.3 cm兩種情況，研究環翼式擋板的最佳延伸長度。環翼式擋板形狀見圖1。

圖1 環翼式橋墩外形設計參數(單位:cm)

試驗采用3種不同延伸長度的環翼式擋板和3個流量共9種工況進行交叉試驗，并與無擋板工況作對比。試驗測點布置同文獻［11］，即試驗設置4個斷面7條測線135個測點，垂向測點分別位于距河床0.1、0.3、0.4、0.5和0.8倍的水深處。流量采用IFM4080K型電磁流量計測量，由上游的流量調節閥控制流量，水位采用JS-B型精密水位儀測量，流速采用小威龍Vertric+型流速儀測量。

3 試驗結果及分析

3.1 擋板延伸長度對沖刷深度的影響

沖坑的最大沖刷深度是試驗直觀的反映，試驗中測量了沖刷達到平衡后沖坑最深處到最初沙床面的距離，作為橋墩附近的最大沖坑深度。

表1為不同流量、不同擋板延伸長度時的最大沖坑深度，可以明顯看出:①不管流量和擋板延伸長度如何變化，與無擋板工況相比，最大沖坑深度均明顯減小;②環翼式擋板的延伸長度不同，橋墩附近的最大沖坑深度也不同，且隨著環翼式擋板延伸長度的增大而減小，當擋板延伸長度為4.5 cm、流量為70m3/h時，最大沖坑深度可減小57.6%，即環翼式擋板延伸長度與橋墩的半徑相同時，最大沖坑深度最小，很好地起到了防沖刷保護橋墩的作用。

表1 不同流量、不同擋板延伸長度時的最大沖坑深度

3.2 擋板延伸長度對流速分布的影響

由于橋墩的阻擋，行進水流在墩前的流速、流向發生急劇變化，從而引起橋墩的局部沖刷，這里僅以流量為70m3/h時2—2斷面上的流速分布為例，研究水流各測點的流速及其變化情況，分析紊動強度對橋墩局部沖刷的影響，確定擋板的最佳延伸長度。

圖2～5為不同擋板延伸長度時的流速分布，圖中縱向流速即順水流方向流速，橫向流速即垂直水槽壁面方向流速，垂向流速即鉛垂方向流速，測線位置零點為水槽軸線所在位置，也即橋墩中心和測線4所在位置。

由圖2～5可知，縱向流速呈前低后高的寬“V”形分布。無擋板時極小值出現在水槽軸線靠近河床底部處，極大值出現在水表面靠近邊壁處;加上擋板后，靠近河床的流速隨著擋板延伸長度的減小越來越大，當擋板延伸4.5 cm時，靠近河床的流速最小。橫向流速呈前后相近(近底流速略小)的“V”形中心對稱分布，由于橫向流速對橋墩局部沖刷的影響較小，擋板延伸長度不同，橫向流速變化不大，僅近底流速略有減小;垂向流速無擋板時呈前高后低倒“V”形分布，加上擋板后，由于受到擋板的影響，垂向流速呈前后相近的寬倒“U”形分布，隨著擋板延伸長度的增大，靠近河床的流速越來越小，當擋板延伸長度為4.5 cm時，流速減小的程度最大。

圖2 無擋板時2—2斷面流速分布

圖3 擋板延伸4.5cm時2—2斷面流速分布

圖4 擋板延伸3.0 cm時2—2斷面流速分布(單位:cm/s)

圖5 擋板延伸2.3 cm時2—2斷面流速分布

因為垂向流速對橋墩附近沖刷起著主要作用，所以對垂向流速作進一步的分析。圖6為流量70m3/h時2—2斷面各測線上的垂向流速分布(圖中測點高度為測點到河床底部的垂直距離)，因為水槽兩側流速呈對稱分布，這里僅研究測線1～4。

圖6 不同擋板延伸長度2—2斷面不同測線的垂向流速分布

由圖6可以看出:無擋板時，測線1和2的垂向流速在一定范圍內上下波動，測線3、4的垂向流速隨著測點與河床距離的減小而增大，且測線越靠近橋墩中心，垂向流速越大;加上擋板后，測線1、2的垂向流速較小且變化不大，這是因為這2條測線在擋板側面，受擋板的影響較小;測線3、4的垂向流速明顯減小，尤其是近底流速，幾乎全部在10 cm/s以內，并且隨著擋板延伸長度的增大，近底垂向流速減小;在擋板所在位置處有拐點，這是因為擋板阻擋下潛水流，擋板上靠近擋板的垂向流速急劇增大，擋板下靠近擋板的垂向流速較小;當擋板分別延伸4.5 cm和3.0 cm時，也就是說擋板延伸長度為橋墩半徑的1倍或2/3時，近底垂向流速相差不大，均可以有效減小橋墩的局部沖刷。

圖7為流量為70 m3/h時不同擋板延伸長度2—2斷面各測線上的近底垂向流速分布，因為以水槽軸線為對稱軸，兩側流速呈對稱分布，這里僅研究測線1～4，并且以橋墩中心為零點。

圖7 不同擋板延伸長度2—2斷面的近底垂向流速分布

由圖7可以看出:①近底垂向流速隨著測點與水槽軸線距離的增大而明顯減小;②與無擋板工況相比，有擋板時近底垂向流速明顯減小，測線1、2的流速變化保持在0～4 cm/s之間，橋墩附近測線3、4的流速基本保持在4～12 cm/s之間;③隨著擋板延伸長度的增加，橋墩中心測線4流速顯著減小，當擋板延伸長度為4.5 cm時，防沖刷效果較為明顯;④當擋板延伸長度分別為4.5 cm和3.0 cm，即擋板延伸長度分別為橋墩半徑的1倍和2/3時，流速分布基本相近，可以根據實際情況選擇適當的擋板延伸長度;⑤當擋板延伸長度為2.3cm時，較無擋板情況，垂向流速減小不大，說明對減小下潛水流意義不大。

降低近底處的下潛流速是橋墩防沖設計所追求的目標之一，意味著水流對橋墩的沖刷作用將減弱，從而證明了環翼式擋板可有效提高橋墩防沖的效果。由于測線1、2受擋板的影響較小，垂向流速變化不大，因而對不同擋板延伸長度2—2斷面測線3、4近底垂向流速單獨進行分析。

由圖8可以看出:與無擋板工況相比，測線4垂向流速最大可減小70.4%，且垂向流速隨著擋板延伸長度的增大而減小;當擋板延伸長度與橋墩半徑的比值大于0.6時，垂向流速趨于平緩，變化不大，考慮到橋墩的實際運用，擋板的延伸長度越小越好，將擋板的延伸長度控制到橋墩半徑的3/5左右時，既能滿足實際需要又能保證較好的防沖效果。

圖8 不同擋板延伸長度測線3、4近底垂向流速分布

3.3 擋板延伸長度對紊動強度的影響

式中:u'x、u'y、u'z分別為瞬時流速沿縱向、橫向和垂向的脈動流速;ˉux為縱向時均流速。

圖9為不同擋板延伸長度2—2斷面各測線的相對紊動強度分布。由圖9可知，無擋板時:①相對紊動強度值基本保持在0.1左右，靠近水槽底部附近相對紊動強度最大，靠近水面相對紊動強度最弱;②橋墩中心測線4和靠近水槽邊壁的測線1的底部相對紊動強度急劇增大，分別在0.3、0.5附近，這是因為靠近水槽底部的流速梯度和切應力都比較大，加之河床面沙粒的影響;③測線1底部的相對紊動強度大于測線4的，這主要是因為水槽邊壁粗糙度干擾的影響較強，而測線4底部形成沖坑，在河床附近相對紊動強度較小。加上環翼式擋板后:①表層

圖9 不同擋板延伸長度2—2斷面不同測線的相對紊動強度

相對紊動強度變化不大，基本保持在0.1，只有測線4的相對紊動強度略有增大;②近底相對紊動強度有所減小，全部在0.3以內，測線1相對紊動強度明顯減小;③在擋板所在位置處，測線3、4相對紊動強度明顯增大，這是由于擋板的存在破壞了水流原來的大小與走向，垂向流速在擋板處累積;④隨著擋板延伸長度的增加，測線3、4在擋板處的相對紊動強度越來越大，近底相對紊動強度明顯減小;⑤當擋板延伸長度為2.3 cm時，各測線相對紊動強度的趨勢基本與無擋板工況下相似，僅測線1近底相對紊動強度略有減小，說明此工況對減小下潛水流意義不大。

4 結論

a.橋墩附近的最大沖坑深度隨著環翼式擋板延伸長度的增大而減小，當擋板延伸長度與橋墩的半徑相同時，較無擋板工況最大沖坑深度可減小57.6%。

b.當擋板延伸長度與橋墩的半徑相同時，較無擋板工況橋墩中心迎水面的近底垂向流速最大可減小70.4%，明顯減弱了下潛水流對河床的沖刷。

c.隨著擋板延伸長度的增加，測線3、4近底紊動強度明顯減小。

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Experimental research on optimal development lengths of ring-wing baffle of ring-wing pier

CHENG Lanyan1，2，HAO Lazhu1，MOU Xianyou1，PEI Guoxia1，ZHANG Liang3(1.College of Water Conservancy and Civil Engineering，Inner Mongolia Agriculture University，Hohhot010018，China;2.Bayannaoer Water Conservancy and Electricity Survey and Design Co.，Ltd.，Bayannaoer015000，China;3.Xinyu Water Conservancy and Electricity Engineering Construction Co.，Ltd.，Bayannaoer015000，China)

In order to determine the optimal development lengths of ring-wing baffle，a series of experiments were carried out to study the effects of local scour with different velocities and different baffle development lengths.The test results show that the local scour effects are significantly different for piers with different ring-wing baffle lengths.Compared to the flow conditions without baffles，the maximum scour length and the near-bottom vertical velocity can be reduced by 57.6%and 70.4%，respectively，and near-bottom turbulence intensity is significantly reduced when the development lengths of ringwing baffle and the pier radius are the same.

ring-wing pier;baffle;the development lengths;scour depth;turbulence intensity

TV131.6

A

1006-7647(2013)02-0032-05

10.3880/j.issn.1006-7647.2013.02.007

成蘭艷(1985—)，女，山西臨縣人，碩士研究生，主要從事工程水力學及水工模型試驗研究。E-mail:chenglanyan2005@163.com

郝拉柱(1957—)，男，內蒙古土默特左旗人，教授，主要從事節水技術與自動控制研究。E-mail:haolazhu@126.com

2012-05-24 編輯:熊水斌)