多個環翼式橋墩沖刷影響研究

任致賢,牟獻友,柏　濤,洪龍生,吳金峰

(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)

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多個環翼式橋墩沖刷影響研究

任致賢,牟獻友,柏濤,洪龍生,吳金峰

(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)

摘要：為研究多個環翼式橋墩間的局部沖刷影響,利用正交試驗設計,考慮2個試驗指標(墩前近底垂向流速、最大沖坑深度),選擇3個有關因素(防沖板半徑A、防沖板安裝高度H和橋墩橫向間距S)進行條件試驗,對試驗結果進行極差和方差分析,確定3個因素的主次關系。結果表明,主次關系的排列為防沖板的安裝高度、防沖板半徑、橋墩橫向間距,且防沖板的安裝高度和防沖板的半徑對防沖效果的影響遠遠大于橋墩橫向間距。

關鍵詞：多個環翼式橋墩；正交試驗；影響因素；主次關系

0引言

橋梁發生水毀的主要原因之一是橋墩沖刷[1]。河道中橋墩的沖刷分為自然演變沖刷、一般沖刷和局部沖刷[2]。橋墩局部如果發生嚴重的沖刷,橋墩周圍會產生很大的沖刷坑從而嚴重威脅橋梁安全[3- 4]。河道中的行進水流碰到橋墩后,橋墩周圍水流特性發生強烈變化,形成下潛水流和馬蹄形漩渦,逐漸傳播和發展到下游,水流在劇烈紊動的同時形成河床面切應力,導致局部沖刷坑的形成[5]。橋墩的防沖刷措施有很多種,一般方法是被動阻止局部沖刷,但安裝有環翼式防沖板的橋墩可以主動且有效地阻擋下潛水流,將下潛水流向橋墩兩邊分流,從而減小了橋墩下部的沖刷[6]。張萬峰等[7]經過初步研究發現,防沖板可有效減少橋墩局部沖刷；白佳樂等[8]研究了環翼式防沖板安裝位置對橋墩局部沖刷的影響。以上研究都是以單個橋墩為研究對象進行局部沖刷研究。

本文在物理模型試驗的基礎上,設計了正交試驗方案,研究不同流量和水深下,以墩前近底垂向流速和最大沖坑深度為2個試驗指標,探究防沖板半徑A、防沖板安裝高度H和橋墩橫向間距S這3個控制因素的主次關系,從而得出較為合理的橋墩及防沖板布置形式。

1模型試驗設計

1.1試驗設備及儀器

試驗儀器和裝置主要包括獨立供水循環系統、Vectrino+聲學多普勒點式三維測速系統、流量計和橋墩等。試驗水槽為矩形斷面有機玻璃水槽,水槽長2 000cm、寬50cm、高90cm,底部坡降比為1/800。水槽上游進水口末端設有消能裝置,以確保水流平穩均勻地進入試驗段。水槽下游段設有尾門,以控制水槽內水深。水槽中部為500cm試驗段,橋墩模型布置于試驗段中間。試驗段鋪設厚200mm、平均粒徑為0.55mm的泥沙。橋墩和環翼式防沖板模型均由PVC材料制作,橋墩為半徑r=20mm的圓管,防沖板為半徑為R的半圓環。在試驗段橫向布置2個相同的橋墩。試驗模型見圖1。

每次試驗前先把試驗段床沙表面抹平,并在來水流量較小的情況下放水浸泡床沙,試驗開始時逐步增大流量,使流量和水深滿足設計工況,直至沖刷坑形態穩定且不發生變化。每次沖刷時間不小于2h，并使用Vectrino+測速系統量測并記錄水流中所需測點的三維流速。

圖1　試驗模型

1.2控制因素及試驗指標

本次沖刷試驗采用3種流量和相應的水深,設定的流量分別為Q1=80m3/h、Q2=100m3/h、Q3=120m3/h,對應的水深分別為h1=110mm、h2=130mm、h3=150mm。選用防沖板半徑A和安裝位置H、2個橋墩橫向間距S這3個控制因素對防沖效果的影響。控制因素及相應水平見表1。

表1控制因素及相應水平

水平控制因素防沖板半徑A安裝高度H橋墩橫向間距S11.6r0.2h6r22.0r0.3h10r32.2r0.4h14r

注：表中r為橋墩半徑；h為水深。

本次試驗中,選用2個試驗指標(墩前近底垂向流速、最大沖坑深度)分析3個因素(A、H、S)的影響。墩前近底垂向流速的變化可以反映防沖板對墩前下潛水流的影響,墩前近底垂向流速越小,下潛水流的減弱作用越大,從而起到更好的防沖作用。最大沖坑深度為沖刷過程中沖坑內的泥沙補給率和輸出率達到動態平衡時,沖刷坑深度的最大值。

2控制因素及試驗指標分析

2.1正交試驗方案

本試驗在每種流量與對應水深的條件下,均使用L9(34)正交表進行試驗設計。每種工況條件下進行3次試驗,測定墩前近底垂向流速和最大沖坑深度,將3次測定的數據的平均值記為試驗結果。正交試驗方案見表2。本文以Q3=120m3/h、h3=150mm為例分析3個因素的主次關系。

表2正交試驗方案

工況因素水平1(A)2(H)3(S)墩前近底垂向流速/cm·s-1最大沖坑深度/cm11116.34.021227.95.931338.57.242317.65.752125.43.162236.84.773216.14.183327.54.993135.33.3

2.2控制因素極差分析

極差分析法[9]是通過對每個因素的平均極差來分析問題,極差即為平均效果中最大值和最小值的差。各列極差的數值從小到大的排列,就是各列對試驗指標的影響從小到大的排列。極差的數值越大,該因素就越重要。由此便可找到影響指標的主要因素,并找到最佳因素水平組合。極差可表示為

式中,R為極差；Kki同一因素下的最大沖坑深度；Kkj同一因素下的墩前近底垂向流速；K為各因素的3個水平。

極差分析結果見表3。3個有關因素(A、H、S)對2個試驗指標(墩前近底垂向流速、最大沖坑深度)的影響程度和規律見圖2。從表3和圖2可知：

(1)防沖板半徑A越大,墩前近底垂向流速和最大沖坑深度越小。防沖板半徑A=2.2r時,防沖板的防沖刷作用最佳；A=2.0r和A=2.2r時,防護效果相差無幾。防沖板安裝高度H越低,墩前近底垂向流速和最大沖坑深度越小。H=0.2h時,防沖板的防沖刷作用最佳。橋墩橫向間距S越小,防沖刷作用越佳。S=6r時,墩前近底垂向流速和最大沖坑深度越小。

(2)墩前近底垂向流速做指標時,各因素波動程度的大小依次為H>A>S,且H因素的波動程度最大,是主要影響因素,其次為A和S,這與表3中極差RH>RA>RS相同；最大沖坑深度做指標時,H因素波動程度最大且略大于A,H是主要影響因素,其次為A和S,與表3中極差RH>RA>RS相同。綜合考慮2個試驗指標,3個因素的重要性從大到小的排列為：防沖板安裝高度H>防沖板半徑A>橋墩橫向間距S。

圖2　2個試驗指標和3個影響因素的關系

(3)表3中RH和RA遠大于RS,說明H因素和A因素的重要性比S因素更為顯著,即防沖板的安裝高度和防沖板半徑對防沖效果的影響作用遠遠大于橋墩橫向間距。

表3極差分析

指標項目因素水平1(A)2(H)3(S)墩前近底垂向流速Ki17.65.76.7Ki26.66.96.9Ki36.37.96.9R1.32.20.2最大沖坑深度Kj15.73.54.6Kj24.54.94.4Kj34.15.95.1R1.62.40.7

2.3控制因素方差分析

根據表2中的試驗結果，對2個試驗指標做方差分析,分析結果見表4。3個因素對應的顯著性效果見圖3。由表4和圖3可知：

表4方差分析

指標墩前近底垂向流速AHS最大沖坑深度AHS平方和2.737.290.091.361.220.29自由度222222均方和1.3653.6450.0450.6800.6100.145方差F41.4110.51.432.429.06.9

圖3　3個影響因素的顯著性趨勢

(1)以墩前近底垂向流速為指標,F0.05(2,2)=19

(2)以最大沖坑深度為指標,F0.05(2,2)=19

綜上可知,3個因素的影響程度從大到小的排列為：防沖板安裝高度H>防沖板半徑A>橋墩橫向間距S,與極差分析結果基本相同。

4結語

以墩前近底垂向流速和最大沖坑深度為試驗指標,設計了正交試驗,并對試驗結果進行極差和方差分析,得出較為一致的結論,即3個有關因素(防沖板半徑A、防沖板安裝高度H和橋墩橫向間距S)的主次關系為H>A>S。在橫向布置多個環翼式橋墩時,不但要考慮環翼式防沖板的安裝高度和半徑對防沖效果的影響,還要考慮橋墩橫向間距對防沖效果的影響。防沖板的安裝高度和防沖板半徑對防沖效果的影響遠遠大于橋墩橫向間距。

因試驗條件的局限性,本次試驗并沒有考慮防沖板對橋墩整體結構穩定性的影響,今后可通過數值模擬進一步探究。

參考文獻：

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[2]李奇, 王義剛, 謝瑞才. 橋墩局部沖刷公式研究進展[J]. 水利水電科技進展, 2009, 29(2)： 85- 88.

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[6]劉曉民, 陳艷梅, 牟獻友, 等. 環翼式橋墩周圍水力特性試驗研究[J]. 人民黃河, 2014, 36(5)： 102- 104, 107.

[7]張萬鋒, 文恒, 牟獻友, 等. 環翼式橋(閘)墩防沖刷試驗研究[J]. 內蒙古農業大學學報： 自然科學版, 2011, 32(3)： 226- 229.

[8]白佳樂. 環翼式橋墩局部沖刷防護數值模擬研究[D]. 呼和浩特： 內蒙古農業大學, 2013.

[9]高惠璇. 應用多元統計分析[M]. 北京： 北京大學出版社, 2014.

(責任編輯楊健)

收稿日期：2015- 12- 23

基金項目：國家自然科學基金項目(51369022),內蒙古自治區自然科學基金項目(2013MS0719)

作者簡介：任致賢(1990—),男,內蒙古巴彥淖爾人,碩士研究生,研究方向為水工建筑物模型試驗；牟獻友(通訊作者)．

中圖分類號：U446.1

文獻標識碼：A

文章編號：0559- 9342(2016)04- 0105- 04

ResearchesofScouringEffectbetweenMultipleRing-wingPiers

RENZhixian,MOUXianyou,BAITao,HONGLongsheng,WUJinfeng

(CollegeofWaterConservancyandCivilEngineering,InnerMongoliaAgriculturalUniversity,Hohhot010018,InnerMongolia,China)

Abstract:In order to study the local scour around ring-wing piers, the orthogonal experiment is designed by considering with two test indicators (the vertical flow velocity near the end of pier and the maximum scour depth) and selecting three relevant factors (radius of baffle plate-A, mounting height of baffle plate-H and lateral spacing of piers-S). By range analysis and variance analysis of test results, the primary and secondary influencing factors are determined respectively. The results show that the importance order of three factors on local scour is mounting height of baffle plate, radius of baffle plate and lateral spacing of piers, and the influences of mounting height and radius of baffle plate on scour effect are far greater than the lateral spacing of piers．

Key Words:multiple ring wing pier; orthogonal experiment; influencing factor; primary and secondary relationship