順?biāo)畼蛄痕账绊懸蛩卦囼?yàn)研究

2020-08-04 07:01:38嚴(yán)建科

筑路機(jī)械與施工機(jī)械化 2020年6期

嚴(yán)建科，焦臣，沈波，龍濤

(1.中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西西安 710075；2. 長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西西安 710064)

0 引言

跨河橋梁橋面設(shè)計(jì)高程除了應(yīng)考慮設(shè)計(jì)水位之外，還需考慮壅水、浪高、上部構(gòu)造建筑高度等的影響[1-2]。橋梁阻水壅高可能造成局部水流速度減緩和淹沒(méi)范圍增大、程度加深等不利影響，嚴(yán)重時(shí)可能威脅堤防等水利工程的安全及人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全。橋墩壅水是由橋墩阻礙水流運(yùn)動(dòng)，使墩前能量轉(zhuǎn)變而造成的墩前上游水面抬高，其影響因素復(fù)雜，包括：上游來(lái)流條件、河渠幾何尺寸、沿程糙率、橋墩形狀及布置形式等。近年來(lái)這方面的研究逐漸增多[3-9],但針對(duì)順?biāo)畼蛄痕账难芯肯鄬?duì)較少。本文重點(diǎn)研究流量、墩間距、墩徑、順?biāo)较蚣皺M向墩數(shù)等對(duì)順?biāo)畼蛄痕账挠绊憽?/p>

1 試驗(yàn)設(shè)備

為了研究順?biāo)畼蛭慧账闆r，試驗(yàn)固定水槽寬0.6 m，長(zhǎng)15.0 m，高0.7 m。壅水試驗(yàn)如圖1～2所示。試驗(yàn)前，上游進(jìn)口控制流量，尾門(mén)調(diào)節(jié)保證水槽渠道均勻流動(dòng)，在停水固定位置安置圓柱墩完畢后，重新放水進(jìn)行壅水試驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)定。

圖1 水槽兩側(cè)對(duì)稱(chēng)布墩

圖2 水槽單側(cè)布墩

2 流量對(duì)順?biāo)畼蛄痕账挠绊?/h2>

2.1 墩兩側(cè)對(duì)稱(chēng)布置

定床試驗(yàn)選取流量Q為60、40、20 L·s-1，對(duì)壅水特性進(jìn)行分析，橋墩對(duì)稱(chēng)貼水槽壁模擬。布置形式為：墩徑20 cm的上、中、下3個(gè)墩兩側(cè)對(duì)稱(chēng)布置，相鄰墩間距91 cm。由圖3可見(jiàn)，流量對(duì)壅水的影響從水位上來(lái)看是顯而易見(jiàn)的，流量越大，水位越高。在柱徑、間距等一致的情況下，流量不同，其水面線(xiàn)的波動(dòng)程度不同，即流量越大，墩前壅水和墩后落水的落差越大；流量越小，墩前壅水和墩后落水的落差越小。具體水面線(xiàn)體現(xiàn)在水面波動(dòng)情況，如數(shù)據(jù)中Q=60 L·s-1的水面，比Q=20 L·s-1的水面波動(dòng)明顯偏大；但當(dāng)流量均較小時(shí)，這種差別不再明顯：Q為40、20 L·s-1時(shí)，雖然水位差以及最大壅高差明顯，但是水面波動(dòng)情況比較接近。

圖3 水槽兩側(cè)對(duì)稱(chēng)布墩、不同流量的水位

2.2 墩單側(cè)等間距布置

取流量Q為60、40、20 L·s-1，布置形式為：水槽右側(cè)布置4個(gè)墩徑20 cm的圓柱墩，相鄰墩間距162 cm，對(duì)壅、落水面特性進(jìn)行比較。由圖4可見(jiàn)，流量越大，水位越高。在相同的布置形式下，流量不同，水面線(xiàn)波動(dòng)程度也不同，即：流量越大，墩前壅水和墩后落水的落差越大；流量越小，墩前壅水和墩后落水的落差越小。具體水面線(xiàn)體現(xiàn)在水面波動(dòng)情況，如Q=60 L·s-1的水面，比Q=20 L·s-1的水面波動(dòng)明顯偏大；但是當(dāng)流量均較小時(shí)，這種差別不再明顯。如Q為40、20 L·s-1時(shí)，雖然水位差以及最大壅高差明顯，但是水面波動(dòng)情況比較接近。不同流量會(huì)造成不同壅水、落水峰值，但是墩壅水、落水位置幾乎一樣，面極值點(diǎn)位置幾乎一致，即：流量差異并沒(méi)有造成壅水趨勢(shì)變化，也沒(méi)有造成壅水、落水位置轉(zhuǎn)移。

圖4 水槽單側(cè)布墩、不同流量的水位

3 順?biāo)畼蚨臻g距對(duì)壅水的影響

橋墩間距不同，對(duì)橋下水流造成的壓縮程度也不同。為探討橋墩間距對(duì)壅水的影響，進(jìn)行定床試驗(yàn)。

3.1 直徑20 cm四墩單側(cè)不同間距布置

Q為60 L·s-1，在水槽右側(cè)布置4個(gè)直徑20 cm的墩,上游1號(hào)墩位置固定，相鄰墩中心間距分別為91 cm和162 cm。由圖5可見(jiàn)，墩數(shù)、墩徑、流量、布置形式相同時(shí)，墩間距為162 cm的水位壅高明顯；但壅水位最高值基本一樣，墩間距162 cm時(shí)為20.7 cm，墩間距91 cm時(shí)為21.0 cm；壅水起始點(diǎn)也位于同一位置，均位于離出水口7 m處。由于墩間距不同而造成的壅水距離的差異也在一定距離后消除，水位再次趨向一致。如墩心間距分別為91 cm和162 cm的時(shí)候，位于7 m處測(cè)點(diǎn)的水位值(也是最大壅高值)幾乎一樣，而位于0 m出水口處的水位也趨于一致(16 cm)。但是在壅水范圍內(nèi)，二者的壅水水面線(xiàn)的波形存在差異，這是由于墩間距的不同造成墩前壅水和墩后落水位置、范圍不同而引起的。

圖5 4個(gè)墩按不同間距布置的水位

3.2 直徑30 cm三墩單側(cè)不同間距布置

Q為60 L·s-1，在水槽右側(cè)布置3個(gè)直徑30 cm的墩，上游1號(hào)墩位置固定，相鄰墩心間距分別為101 cm和172 cm。圖6也體現(xiàn)了與圖5同樣的特征，在距離出水口處2.0～6.5 m的范圍內(nèi)，墩間距172 cm比墩間距101 cm的水位壅高明顯。但是壅水水位的最高值同為18 cm，且起始點(diǎn)同樣位于距離出水口7 m處；在距出水口0.5 m處，水位再次趨向一致。從2個(gè)水面中均可看出，墩間距較大時(shí)，水位在壅水范圍內(nèi)波形較緩；墩間距較小時(shí)，水位在壅水范圍內(nèi)波形較“碎”。這是由于墩間距較小的時(shí)候，后一個(gè)墩的壅水和前一個(gè)墩的落水不充分，壅水和落水互相重疊、影響，造成單一墩的壅水、落水過(guò)程不完整。隨著墩間距的增大，墩后落水位置相應(yīng)后撤，即一個(gè)完整的壅、落水波的位置相應(yīng)后撤。

圖6 3個(gè)墩按不同間距布置的水位

4 順?biāo)畼蛄憾諒綄?duì)壅水的影響

墩徑直接影響過(guò)流斷面的大小，所以墩徑對(duì)壅水的影響也十分顯著。流量Q為60 L·s-1，在水槽右側(cè)布置4個(gè)墩，墩中心間距均為152 cm，墩徑分別為10、20、30、40 cm，分為4組進(jìn)行研究。

不同墩徑的上游1號(hào)墩位置橫斷面各測(cè)點(diǎn)的水位如圖7所示，可以看出墩徑不同造成的壅高差異比較明顯，墩徑越大，水流斷面壓縮越大，在該斷面壅高就越大。如墩徑為40 cm時(shí)斷面最大壅高達(dá)到了27.3 cm，墩徑為30 cm時(shí)最大壅高為20.97 cm，均比墩徑為10、20 cm時(shí)大很多。墩徑分別為10、20 cm時(shí)，斷面壅水差別并不明顯，可以理解為在一定范圍內(nèi)，墩徑對(duì)過(guò)水?dāng)嗝孥崭叩挠绊懯怯邢薜模钱?dāng)墩徑為30 cm和40 cm時(shí)，斷面各點(diǎn)的壅高明顯增加。

圖7 不同墩徑下的1號(hào)墩過(guò)水?dāng)嗝嫣帣M向水位

為了研究不同墩徑對(duì)壅水趨勢(shì)的影響，分別在順?biāo)较蚓嗨鄢鏊?.0 m、橫向距水槽右側(cè)槽壁30 cm處(測(cè)點(diǎn)1)，順?biāo)较蚓嗨鄢鏊?.5 m、橫向距水槽右側(cè)槽壁30 cm處(測(cè)點(diǎn)2)，順?biāo)较蚓嗨鄢鏊?.5 m的水槽右側(cè)槽壁處(測(cè)點(diǎn)3)，測(cè)量4種不同墩徑對(duì)應(yīng)的壅水值，如圖8、9所示。通過(guò)觀察不同墩徑下同一點(diǎn)的水位可以發(fā)現(xiàn)，隨著墩徑的增大，處于壅水段的水位也增高。墩徑為10、20、30、40 cm時(shí)，測(cè)點(diǎn)1處壅高分別為18.00、18.51、20.80、26.18 cm；測(cè)點(diǎn)2處壅高分別為18.80、20.60、24.68、31.02 cm；測(cè)點(diǎn)3處壅高分別為17.81、20.82、25.11、31.2 cm。雖然它們?cè)鲩L(zhǎng)的趨勢(shì)略有不同，但是總趨勢(shì)是一致的，即墩徑越大，引起的壅高越高。

圖8 測(cè)點(diǎn)位置分布

圖9 3個(gè)測(cè)點(diǎn)的水位隨墩徑變化

5 順?biāo)较蚨諗?shù)對(duì)壅水的影響

為研究墩數(shù)是否會(huì)對(duì)壅水產(chǎn)生影響，做2組試驗(yàn)。第1組試驗(yàn)流量Q為60 L·s-1，在水槽右側(cè)布置4個(gè)直徑20 cm的墩，墩中心間距91 cm；第2組試驗(yàn)流量Q為40 L·s-1，在水槽右側(cè)布置3個(gè)直徑20 cm的墩，墩中心間距91 cm。由前述可知，流量并不影響壅水的整體趨勢(shì)和壅水、落水位置，所以在研究墩數(shù)對(duì)壅水特性影響的時(shí)候，采用不同流量并不會(huì)對(duì)整個(gè)壅水狀況造成影響，所以認(rèn)為在不同流量、不同墩數(shù)、相同布置形式、相同墩間距的情況下，可以對(duì)墩數(shù)的影響進(jìn)行比較分析。

單側(cè)布置不同數(shù)量圓柱墩時(shí)，各測(cè)點(diǎn)的水位如圖10所示。由圖10可看出，其壅水、落水位置幾乎一致。最大壅高均在1號(hào)墩前0.5 m處，第1個(gè)落水位均位于距出水口6 m處；第2個(gè)壅水位置在距出水口5.5 m左右處，第2個(gè)落水位置在距出水口5 m處左右；第3個(gè)壅水位置在距出水口4.6 m左右處，第3個(gè)落水位置在距出水口4.2 m處；單側(cè)布置3個(gè)墩的水面在最后一次落水后水位略微回升，布置4個(gè)墩的水面繼續(xù)發(fā)生最后一個(gè)墩的壅水、落水過(guò)程。可見(jiàn)，墩數(shù)對(duì)于壅水的影響僅僅是壅水范圍的變化，即隨著墩數(shù)的增加，壅水范圍會(huì)相應(yīng)增大。在墩間距一樣的情況下，壅水、落水發(fā)生的位置幾乎一樣；流量只會(huì)造成壅水、落水峰值的變化，對(duì)壅水形態(tài)無(wú)本質(zhì)影響。所以認(rèn)為墩數(shù)對(duì)于壅水本身的影響主要在于壅水發(fā)生的范圍。

圖10 單側(cè)布置不同墩數(shù)的水位

6 順?biāo)畼蛄簷M向墩數(shù)對(duì)壅水的影響

在橋墩過(guò)水時(shí)，為了減少橋墩阻水，多用獨(dú)柱墩(蓋梁上橫向設(shè)多個(gè)支座),但為了提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，則多用雙主墩,對(duì)比研究橫向橋墩個(gè)數(shù)對(duì)壅水的影響有實(shí)際意義。選取流量Q為40 L·s-1，在水槽內(nèi)順?biāo)鞣较虿贾?排直徑20 cm墩，縱向順?biāo)臻g距同為91 cm,橫向分別按靠近水槽壁兩側(cè)(雙柱墩)和單側(cè)(獨(dú)柱墩)2種形式布置圓柱墩。

由圖11可見(jiàn)，在流量、墩數(shù)、墩徑以及墩間距均相同的情況下，二者的壅水峰值(即最大壅高)有明顯的不同：位于距離出水口6.5 m處(即距離1號(hào)墩中心0.5 m處)的最大壅高值分別為17.3 cm(兩側(cè)布墩)和14.3 cm(單側(cè)布墩)，由此可見(jiàn)兩側(cè)布墩由于更多地對(duì)水流斷面進(jìn)行壓縮，比單側(cè)布墩時(shí)引起的壅水更高，這種影響反映到水面線(xiàn)上很明顯。兩側(cè)布墩的墩后落水明顯，如在距離出水口3.8 cm處兩側(cè)布墩有明顯落水；單側(cè)布墩水流斷面壓縮不如兩側(cè)布墩，所以壅水過(guò)程不如兩側(cè)布置時(shí)充分。從沖刷的角度來(lái)說(shuō)，兩側(cè)布墩的末墩河床沖刷更強(qiáng)烈。

圖11 橫向布置不同墩數(shù)的水位

由圖12、13可見(jiàn)，流量Q=40 L/s,順?biāo)鞣较虿贾?排直徑20 cm的墩，墩間距91 cm,在兩側(cè)布墩的情況下，水流由于受到對(duì)稱(chēng)壓縮，在一定單寬下左右兩側(cè)顯示出較統(tǒng)一的壅水、落水曲線(xiàn)。但是在單側(cè)布墩情況下，只在右側(cè)(即墩布置側(cè))顯出較明顯的壅水、落水，而左側(cè)相對(duì)比較緩，水位波動(dòng)不大，壅水過(guò)程不明顯。