環翼式防沖板對圓端形橋墩局部沖刷試驗及水力特性

牟獻友+王丹+冀鴻蘭+李春江+喬春林

摘要：由于傳統橋墩沖刷防護措施的局限性，引入新型防沖裝置環翼式防沖板，對圓端形橋墩沖刷進行防護，通過減小下降水流改變橋墩周圍水流結構，主動降低了下降水流對橋墩的沖刷。為探究環翼式防沖板對圓端形橋墩局部沖刷的防護作用，采用3種比例圓端形橋墩、3種環翼式防沖板安裝位置進行物理模型試驗，對圓端形橋墩周圍的沖坑特征、垂向流速、垂向紊動強度、紊動切應力等水力要素進行研究。結果表明：安裝環翼式防沖板后，3種圓端形橋墩沖刷程度均減小，中圓端形橋墩沖刷減小幅度最大，沖坑體積減小率為30.0%；中圓端形橋墩安裝環翼式防沖板后，墩前垂向流速減小為0.039 m/s、垂向紊動強度減小為0.025 m/s；防沖板上垂面紊動切應力增大，板下垂面紊動切應力減小。試驗結果表明環翼式防沖板能夠減小橋墩的局部沖刷，具有很高的實用價值。

關鍵詞：圓端形橋墩；環翼式防沖板；沖坑特征；垂向時均流速；垂向紊動強度；紊動切應力；垂向紊動強度等值云圖

中圖分類號：TV131.6 文獻標識碼：A 文章編號：1672 1683（2017）05-0146-10

1研究背景

橋梁災害發生的主要原因是橋墩的水毀，而水流沖刷是橋墩水毀的直接原因。因此，橋墩周圍的水流結構和沖刷發展過程是十分值得研究的工程問題。針對橋墩周圍水流結構和沖刷問題，許多學者在野外原型觀測、物理模型試驗、數值模擬等方面進行了研究。H.N.C.Breusers繪制了橋墩周圍水流結構圖，得出水流遇到橋墩后，橋墩附近流速、流向發生急劇變化，并且形成下降水流和馬蹄形漩渦，使水流紊動劇烈形成沖刷坑。T.F.Kwan和Melville采用氫氣泡技術測量橋墩周圍流場，發現引起橋墩沖刷的主要原因是上游主漩渦和下降水流。W.H.Graf利用ADVP流速儀測量橋墩附近流場的三維流速，并用渦量場證明了圓柱形橋墩附近存在馬蹄形漩渦，底部存在負渦量的反向流。Dou（1998）通過等權重線疊加下降流強度、渦量強度和湍流強度研究泥沙起沖作用，并建立了輸沙率模型。胡旭躍、孟慶豐建立BP神經網絡模型和模糊神經網絡模型，對橋墩局部沖坑深度進行預測。祖小勇利用ADV流速儀繪制圓柱橋墩周圍三維流速矢量圖，確定橋墩紊流寬度與弗汝德數的關系。孫東坡利用有限體積法模擬橋墩附近三維流場的結構變化，數值模擬結果符合橋墩局部流場的特征。劉震卿使用k-ε標準模型對墩臺周圍流場進行模擬，還編寫了橋墩沖刷C+模擬程序。祝志文通過雷諾時均N-S方程并結合標準k-ε湍流模型對橋墩沖刷坑變化過程進行模擬，數值模擬結果與試驗結果基本一致。

目前，主要采用傳統橋墩局部沖刷防護工程解決橋墩沖刷問題。傳統防護工程包括實體抗沖防護和減速不沖防護兩類。實體抗沖防護是在橋墩附近的床面上安放實體材料，減小下降水流和馬蹄形漩渦影響的工程措施。減速不沖防護是在橋墩附近安裝某些裝置、改變橋墩自身結構減小水流對橋墩沖刷的工程措施。實體抗沖防護主要包括拋石防護、混凝土鉸鏈排防護、擴大墩基礎防護、四角混凝土塊防護等；減速不沖防護主要包括護圈防護、橋墩開縫防護、墩前淹沒檻防護等。傳統橋墩沖刷防護工程存在整體性較差、造價高、防護易失效和易引起更大的沖刷等局限性問題，基于以上傳統橋墩沖刷防護措施的局限性，課題組采用環翼式防沖板這種新型防沖裝置對橋墩沖刷進行防護。環翼式防沖板通過減小下降水流改變橋墩周圍水流結構，主動降低了水流對橋墩的沖刷，具有保護橋墩的作用。

前期試驗中，課題組研究了防沖板在圓柱形橋墩上的應用：張萬峰研究了擋板的防沖刷效果，結果表明安裝防沖板后墩前沖刷坑的深度減小；成蘭艷分析了防沖板的延伸長度和安裝位置對沖刷坑深度的影響，得出防沖板與河床距離約為水深的1/3、擋板延伸長度與橋墩半徑相同時，防沖效果明顯；陳艷梅研究了防沖板形狀對墩前垂向水流的影響和環翼式防沖板的最優形狀，發現板前和板尾寬度為45 mm時水流垂向速度減小程度最大；王祚研究了防沖板數量對防沖效果的影響，試驗表明安裝兩片防沖板時防沖效果最好；李春江分析了防沖板控制因素的主次關系，確定防沖板安裝位置對防沖效果影響最大；柏濤對串聯環翼式橋墩間的沖刷防護進行了研究，得出下游側擋板安裝位置對橋墩沖刷影響大。

圓端形橋墩可減小水流的阻力，且適合作為支撐結構，是鐵路跨河橋使用最廣泛的墩型，因此本文研究了防沖板在圓端形橋墩上的應用。胡旭躍研究了圓端形橋墩的側向紊流寬度，結果表明在一定范圍內，隨弗汝德數的增大，紊流寬度增大；莊元研究了行進流速、行進水深、來流角度等因素對圓端形橋墩紊流寬度的影響。以上研究均給出了紊流寬度的公式，缺乏對減小水流紊動強度的探究。本文采用環翼式防沖板減小水流對圓端形橋墩的沖刷，結合已有研究成果，對圓端形橋墩周圍沖坑、垂向時均流速、垂向紊動強度等進行研究，從而分析防沖板減小水流紊動的效果。

2試驗原理及概況

2.1試驗原理

研究橋墩周圍的水流結構，可以從根本上解決橋梁水毀的問題。行進水流遇到橋墩時，流速降低，動能轉換為勢能，并在橋墩迎水面處形成駐點，導致墩前水面壅高，駐點壓力又在垂向上形成壓力差，使得水流向下匯聚成下降水流；行進水流在橋墩迎水圓弧處分離流向橋墩兩側，兩側繞流流線加密，流速增大，床面附近形成馬蹄形漩渦，馬蹄形漩渦沿橋墩向下游發展且逐漸衰變為水流的紊動；在墩后由于橋墩兩側邊界層分離形成尾流漩渦區，且河床床面不斷釋放因尾流漩渦和馬蹄形漩渦作用而產生的小漩渦。圓端形橋墩周圍水流結構見圖1。

2.2試驗裝置

試驗在長2000 cm，寬50 cm，高90 cm的敞口玻璃水槽中進行，人工調整的最大坡降是0.124%，如圖2所示。試驗裝置主要由獨立供水循環系統、vectrino聲學多普勒點式測速系統、橋墩模型、防沖板模型等組成。試驗段鋪設長度50 cm，厚度23 cm的泥沙用于模擬河床表面的泥沙狀態，試驗采用均質細沙，中值粒徑D=0.24 mm。試驗采用電磁流量計測量流量，流量調節閥控制流量；精密水位儀測量水位，出口尾門調節水位。

2.3試驗平面布置

如圖3所示，橋墩模型由PVC管制成，防沖板由PVC板材制成。水流遇不同圓端形橋墩時，水流結構的改變和紊動強度的變化不同，因此結合相關已完成預試驗，并根據前期野外原型觀測，進行模型比尺的計算以及水槽的尺寸，設計了小、中、大3種圓端形橋墩，尺寸分別為：小圓端中間矩形長15cm，寬9 cm；中圓端中間矩形長20 cm，寬9 cm；大圓端中間矩形長25 cm，寬9 cm；圓端端頭半徑均為4.5 cm。防沖板內徑、板前端寬度、板尾端寬度均為4.5 cm。小、中、大圓端形橋墩分別用s、m、l表示；橋墩中間矩形長寬比用b：2r表示；測點高度與水深的比值用r表示。

如圖4所示，橋墩周圍布置7個斷面，7條測線；如圖5所示，垂向5個測點。采用vectrino流速儀測量各測點X、Y、Z方向的流速，X、Y、Z分別代表垂直水流方向、順水流方向、垂向方向。斷面、測線的布置根據墩前、墩中、墩后水流結構的變化及墩頭半徑確定；測點的布置由表層、中層、底層水流紊動變化及防沖板安裝位置確定。

2.4試驗參數

3試驗結果與分析

試驗開始先用小流量給水，逐漸增大流量，直至達到需要的流量和水位。試驗中，無論有無防沖板，水流流經橋墩時，沖刷坑均先從橋墩墩頭兩側開始形成，隨沖刷坑深度的增加，沖刷坑范圍增大，墩前形成沖刷坑。沖刷坑上游邊緣泥沙隨水流崩塌，落入坑內，最后被水流帶到墩側和墩后，并在墩后形成長距離沙脊。試驗中，觀察到水面線波動較大；半小時內沖刷坑形態基本穩定；半小時后沖刷坑形態變化微小。

3.1沖坑特性分析

試驗過程中，隨圓端形橋墩b：2r不同，試驗現象亦不同。試驗中測量沖坑深、墩左右兩側沖坑寬度、計算沖坑體積等，結果見表1。

從表中可以看出，無防沖板時，隨圓端形橋墩b：2r的增大，對水流結構影響增大，因此沖坑深、沖坑體積均增大；安裝防沖板后，由于防沖板阻擋下降水流對墩前泥沙的沖刷，橋墩的最大沖坑深度和沖坑體積均減小。無板時，隨橋墩b：2r的增大左右兩側沖坑寬度增大；加板后，s、m、l左右兩側的沖坑寬度整體均減小，且防沖板安裝在1/3h處沖坑寬度最小。3種橋墩安裝防沖板位置不同時，沖坑深減小率和體積減小率不同，但均在1/3h處減小率最大防沖效果最好。防沖板安裝在1/3h處時，s、m、l橋墩沖坑深減小率分別為10.5%、12.5%、6.6%；沖坑體積減小率分別為20.0%、30.0%、21.7%；3種橋墩中，中圓端形橋墩的沖坑深減小率和體積減小率均最大。隨橋墩中間b：2r的增大，沖坑深減小率和沖坑體積減小率先增大后減小，防沖板防沖效果先增大后減小。

3.2三種圓端形橋墩水力特性分析

由以上的分析可知，在試驗的3種安裝位置下，采用相同防沖板，安裝位置在1/3h時防沖效果最好，因此本文研究防沖板安裝在1/3h處，Q=0.028m³/s的試驗工況下3種圓端形橋墩的水力特性。