砂土中圓形橋墩局部沖刷試驗(yàn)研究

周正翰

(華北水利水電大學(xué)，鄭州 450000)

1 概 述

沖刷可定義為移除橋墩、橋臺、丁壩和路堤周圍的材料，這些材料是由橋梁子結(jié)構(gòu)構(gòu)件和路堤附近的水流加速和湍流引起的，沖刷是指清除流動水中構(gòu)筑物周圍或附近的沉積物。橋墩沖刷是橋梁失效的最主要原因。隨著氣候變化，可能導(dǎo)致更嚴(yán)重和更頻繁的洪水，降低橋梁失效風(fēng)險(xiǎn)變得越來越重要。由于水流方向或高速水流的突然變化，河流中放置的任何結(jié)構(gòu)物，無論是自然或人為原因，都將傾向于促進(jìn)沖刷和沉積。沖刷長期以來被認(rèn)為是對橋墩性能的嚴(yán)重危害[1]。

Oscar[2]對砂土中圓形橋墩處三維沖刷坑幾何形狀的時(shí)間變化進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。采用一種新的高分辨率非侵入式方法，測量了隨時(shí)間變化的沖刷坑幾何形狀。從研究中獲得的數(shù)據(jù)可用于改善橋梁沖刷監(jiān)測和數(shù)值模擬試驗(yàn)結(jié)果。陳啟剛等[3]提出了一個(gè)半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，用于估算未暴露基礎(chǔ)的圓柱形橋墩沖刷深度的時(shí)間發(fā)展，有基礎(chǔ)的空心橋墩被視為非均勻橋墩，該模型的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好。齊梅蘭等[4]在其最近的研究中指出，實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的沖刷預(yù)測方法和基于實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)的沖刷方程并不總能在現(xiàn)場條件下產(chǎn)生合理的結(jié)果。研究表明，實(shí)驗(yàn)室調(diào)查往往過分簡化或忽略橋墩周圍流場的許多復(fù)雜特性。

其他相關(guān)學(xué)者也進(jìn)行了大量研究，以預(yù)測沖刷坑的最大深度和直徑[5-7]。沖刷一直是海洋和水工結(jié)構(gòu)物安全的主要問題。隨著局部沖刷的進(jìn)行，大量水工建筑物遭到破壞，逐漸破壞了基礎(chǔ)。重要的是應(yīng)控制水工建筑物下游的局部沖刷深度，以確保這些結(jié)構(gòu)的安全。

本研究的主要目標(biāo)是研究有環(huán)橋墩和無環(huán)橋墩沖刷的時(shí)間發(fā)展。在這項(xiàng)工作中，通過試驗(yàn)研究，以調(diào)查橋墩形狀、流量和時(shí)間對主要沖刷坑尺寸的影響。此外，還研究了最大沖刷深度及其沿縱向和橫向的模式。

2 實(shí)驗(yàn)裝置

2.1 實(shí)驗(yàn)儀器

實(shí)驗(yàn)在華北水利水電大學(xué)水力學(xué)實(shí)驗(yàn)室的矩形透明玻璃水槽中進(jìn)行，水槽的總長度測量為9.45 m。該長度包括入口、出口和工作段，水槽的長度足以提供穩(wěn)定的流動條件。水槽深45 cm，河床寬度約30 cm。水槽建造在可調(diào)鋼架上，高于實(shí)驗(yàn)室地板1.3 m。水槽配有兩個(gè)控制閘門，一個(gè)垂直閘門位于工作段上游，一個(gè)尾門位于水槽下游。進(jìn)入通道的水由建造在實(shí)驗(yàn)室地面以下的集水池供應(yīng)。離心泵的最大容量為27 L/s，用于提升水并將其供應(yīng)至渠道。流量通過安裝在水槽末端的V形切口測量。安裝在滑動鋁框架上的兩點(diǎn)測量儀，用于測量橋墩上游和下游的表面高程。

2.2 實(shí)驗(yàn)程序

在水槽渠道段的中間放置一個(gè)圓柱形橋墩，橋墩的圓柱形與圓形橋墩相似，直徑為5 cm的木制圓形橋墩固定在距上游2.5 m處的水槽床上。河床用沙子徹底整平，在渠道開始流動之前，用滑動測點(diǎn)儀測量河床的初始標(biāo)高(高程)。在上游和下游分別安裝相同的移動儀表，以不同的時(shí)間間隔對河床的所有水位進(jìn)行測量。每次運(yùn)行都是通過讓水以規(guī)定的流速流過水平床開始的。

對于每次運(yùn)行，保持不同的排放，并允許水連續(xù)流動5、10、15、30、60和120 min。在每個(gè)規(guī)定的時(shí)間間隔后，使用相同的移動量規(guī)測量砂層的高程。沖刷深度測量沿3個(gè)方向進(jìn)行，即X1(在橋墩/縱向中心線內(nèi))、X2(在同一縱向但靠近河道邊界且平行于橋墩中心線)，沖刷深度變化也在橫向(Y)進(jìn)行，見圖1。水槽中橋墩的布置見圖2。

圖1 圓形橋墩模型

圖2 水槽中圓柱形橋墩的布置

2.3 沉積物材料

河床材料為粒徑在0.075～2.00 mm之間的沙子混合物。填充在渠道的工作段中，厚度約為11 cm，床料為砂。

3 結(jié)果和討論

沿著河道和橋墩附近的沖刷深度變化可通過在Plex iglas的不同部分(每個(gè)部分間隔10 cm)和橋墩表面上安裝的刻度直接觀察到。橋墩處的沖刷模式和橋墩附近的沖刷見圖3和圖4。

圖3 橋墩處的沖刷模式

圖4 橋墩附近的沖刷

所獲得的結(jié)果顯示了沖刷深度在縱向上分別隨距離X1、X2和橫向上隨距離Y的變化，見圖5-圖7，其中使用一個(gè)流量。在這組運(yùn)行中，流速保持在5.82～16.88 L/s的流速范圍內(nèi)。從縱向X1和X2不同流速的所有運(yùn)行中獲得的觀測結(jié)果表明，上游沖刷深度相對較高，而橋墩下游沖刷深度較小。研究發(fā)現(xiàn)，最大沖刷深度大約在運(yùn)行1 h后達(dá)到，在接下來的1 h內(nèi)，沖刷深度幾乎沒有增加。在橋墩中心線測量縱向X1的沖刷深度變化，而在河道邊界附近測量不同時(shí)間間隔(從5、15、30、60 min開始，直至120 min)的縱向X2的沖刷深度變化。從X1系列的圖表中可以明顯看出，砂床的標(biāo)高略高于橋墩下游河床的初始標(biāo)高，之后隨著時(shí)間間隔的增加而降低，其原因是橋墩上游附近的侵蝕材料沉積。橫向沖刷深度隨距離Y的變化在橋墩兩側(cè)幾乎相同。橋墩中心線位于X1=32.5 cm處。每次讀取時(shí)，通過打開和關(guān)閉流量開關(guān)來記錄系列-I數(shù)據(jù)(圖8)，而系列-II數(shù)據(jù)(圖9)則記錄為流量的延續(xù)。

圖5 沖刷深度隨縱向的變化(X1)

圖6 沖刷深度隨縱向的變化(X2)

圖7 沖刷深度隨橫向的變化(Y)

此處描述的所有結(jié)果表明，隨著縱向和橫向流速的增加，最大沖刷深度增加。研究發(fā)現(xiàn)，橫向沖刷深度隨距離Y的變化趨勢與橋墩兩側(cè)幾乎相同，但與較小流量的結(jié)果相比，最大沖刷深度略高。

測量不同流速下圓柱橋墩周圍的最大沖刷深度，并以圖形展示試驗(yàn)結(jié)果，以預(yù)測圓柱橋墩周圍的平衡沖刷深度。沖刷坑深度的變化見圖8和圖9。有由圖8和圖9觀察到，隨著水流深度的增加，沖刷坑深度增加，但增加速率不是線性的。很明顯，最大沖刷深度取決于時(shí)間和流速。此外，隨著渠道流量的增加，沖刷坑的初始深度也在增加；隨著時(shí)間的增加，飽和達(dá)到平衡沖刷深度。

圖8 最大沖刷深度隨時(shí)間的變化(系列-I數(shù)據(jù))

圖9 最大沖刷深度隨時(shí)間的變化(系列-II數(shù)據(jù))

本研究結(jié)果表明，最大沖刷深度高度依賴于試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間，沖刷坑深度隨著引發(fā)沖刷的增加流量持續(xù)時(shí)間的增加而增加。在橋墩處觀察到的沖刷量也隨著試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間的增加而增加，橋墩沖刷坑的時(shí)間發(fā)展取決于橋墩是否安裝了置于河床水平的軸環(huán)。

4 結(jié) 論

局部沖刷監(jiān)測對于避免可能發(fā)生的重大損害非常重要。本文對砂土中圓形橋墩三維沖刷坑幾何形狀隨時(shí)間的變化進(jìn)行了試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果為不同沖刷階段(即初始階段、發(fā)展階段、穩(wěn)定階段和平衡階段)的定量定義提供了信息。通過進(jìn)行一系列試驗(yàn)并分析本研究中給出的橋墩局部沖刷結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：沖刷深度隨時(shí)間增加，但沖刷深度的增加率在較長時(shí)間間隔內(nèi)下降；流速對沖刷深度有影響，流速越大，沖刷深度越大；最大沖刷深度出現(xiàn)在橋墩上游；最大沖刷深度取決于時(shí)間和流速，最大沖刷深度也隨著流量和時(shí)間的增加而增加；沉積物的粗糙部分沉積在橋墩的下游區(qū)域；橫向沖刷坑尺寸幾乎相同。結(jié)果顯示，沖刷可能需要較長時(shí)間才能達(dá)到漸近狀態(tài)，研究所提供的數(shù)據(jù)可用于改善橋梁沖刷監(jiān)測和數(shù)值模擬試驗(yàn)結(jié)果。