環(huán)翼式橋墩環(huán)翼式擋板最佳延伸長(zhǎng)度試驗(yàn)

成蘭艷，郝拉柱，牟獻(xiàn)友，裴國(guó)霞，張 亮

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木建筑工程學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010018;2.巴彥淖爾市河套水利水電勘察設(shè)計(jì)有限公司，內(nèi)蒙古巴彥淖爾 015000;3.內(nèi)蒙古新禹水利水電工程建設(shè)有限公司，內(nèi)蒙古巴彥淖爾 015000)

環(huán)翼式橋墩環(huán)翼式擋板最佳延伸長(zhǎng)度試驗(yàn)

成蘭艷1，2，郝拉柱1，牟獻(xiàn)友1，裴國(guó)霞1，張 亮3

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木建筑工程學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010018;2.巴彥淖爾市河套水利水電勘察設(shè)計(jì)有限公司，內(nèi)蒙古巴彥淖爾 015000;3.內(nèi)蒙古新禹水利水電工程建設(shè)有限公司，內(nèi)蒙古巴彥淖爾 015000)

為研究環(huán)翼式橋墩環(huán)翼式擋板的最佳延伸長(zhǎng)度，進(jìn)行了不同流速和不同環(huán)翼式擋板延伸長(zhǎng)度下環(huán)翼式橋墩的局部防沖刷試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明:環(huán)翼式擋板的延伸長(zhǎng)度不同，橋墩的沖刷效果有較大的差別，當(dāng)環(huán)翼式擋板的延伸長(zhǎng)度與橋墩的半徑相同時(shí)，與無(wú)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(dòng)強(qiáng)度也明顯減小，防沖刷效果顯著。

環(huán)翼式橋墩;擋板;延伸長(zhǎng)度;沖坑深度;紊動(dòng)強(qiáng)度

橋墩的局部沖刷是橋梁水毀的重要原因，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)橋墩的局部沖刷進(jìn)行了大量的理論分析和模型試驗(yàn)，并取得了一系列的研究成果，但由于橋墩周?chē)乃μ匦砸约皼_刷過(guò)程比較復(fù)雜，影響因素較多，至今尚未提出橋墩周?chē)罌_刷的好方法，因此，繼續(xù)進(jìn)行這方面的研究是十分必要的。目前，橋墩的局部沖刷防護(hù)仍處于探索階段，大多是基于局部沖刷公式以及數(shù)值模擬方法進(jìn)行計(jì)算分析［1-4］。例如Melville等［5-7］根據(jù)試驗(yàn)及實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)建立了橋墩局部沖刷深度的計(jì)算公式;房世龍等［8-9］從橋墩局部沖刷的防護(hù)以及研究手段等方面進(jìn)行了深入研究;張萬(wàn)鋒等［10］初步研究了不同數(shù)量擋板組成的環(huán)翼式橋墩的防沖效果，認(rèn)為環(huán)翼式擋板的存在可以有效防護(hù)橋墩的局部沖刷，并研究了擋板數(shù)量對(duì)橋墩局部沖刷的影響;成蘭艷等［11］曾在此基礎(chǔ)上研究了單一擋板的環(huán)翼式橋墩的防沖效果，并確定了環(huán)翼式擋板的最佳位置，本試驗(yàn)主要是在文獻(xiàn)［11］的基礎(chǔ)上進(jìn)行的后續(xù)研究。試驗(yàn)借助物理模型，測(cè)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(guò)分析三維時(shí)均流速和紊動(dòng)強(qiáng)度來(lái)研究環(huán)翼式擋板的最佳延伸長(zhǎng)度，為橋墩局部沖刷防護(hù)的深入研究提供了參考，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 試驗(yàn)原理與內(nèi)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(huán)翼式橋墩的局部沖刷防護(hù)就是通過(guò)環(huán)翼式擋板阻擋橋墩迎水面的下潛水流，改變水流流態(tài)，減小下潛水流直接對(duì)橋墩的沖刷，從而保護(hù)橋墩。

試驗(yàn)主要根據(jù)上述原理，從以下幾個(gè)方面進(jìn)行對(duì)比研究:①通過(guò)對(duì)比無(wú)擋板和有不同延伸長(zhǎng)度環(huán)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(guò)改變擋板的延伸長(zhǎng)度，研究橋墩附近的最大沖坑深度，確定擋板的最佳延伸長(zhǎng)度;③研究不同工況下各測(cè)點(diǎn)的流速及其變化情況，通過(guò)分析三維時(shí)均流速和紊動(dòng)強(qiáng)度進(jìn)一步研究環(huán)翼式擋板的最佳延伸長(zhǎng)度。

2 試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方案

試驗(yàn)在長(zhǎng)2000 cm、寬50 cm、高90 cm的玻璃水槽中進(jìn)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(zhǎng)×寬×厚)，每次試驗(yàn)前將鋪沙的床面抹平，并放水2 h直至沖刷穩(wěn)定。橋墩模型采用內(nèi)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(shí)防沖刷效果明顯［11］。根據(jù)多次沖刷試驗(yàn)，沖坑的寬度在4.5 cm左右，所以環(huán)翼式擋板延伸長(zhǎng)度以4.5 cm為基準(zhǔn)，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(huán)翼式擋板的最佳延伸長(zhǎng)度。環(huán)翼式擋板形狀見(jiàn)圖1。

圖1 環(huán)翼式橋墩外形設(shè)計(jì)參數(shù)(單位:cm)

試驗(yàn)采用3種不同延伸長(zhǎng)度的環(huán)翼式擋板和3個(gè)流量共9種工況進(jìn)行交叉試驗(yàn)，并與無(wú)擋板工況作對(duì)比。試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置同文獻(xiàn)［11］，即試驗(yàn)設(shè)置4個(gè)斷面7條測(cè)線(xiàn)135個(gè)測(cè)點(diǎn)，垂向測(cè)點(diǎn)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(jì)測(cè)量，由上游的流量調(diào)節(jié)閥控制流量，水位采用JS-B型精密水位儀測(cè)量，流速采用小威龍Vertric+型流速儀測(cè)量。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 擋板延伸長(zhǎng)度對(duì)沖刷深度的影響

沖坑的最大沖刷深度是試驗(yàn)直觀(guān)的反映，試驗(yàn)中測(cè)量了沖刷達(dá)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(zhǎng)度時(shí)的最大沖坑深度，可以明顯看出:①不管流量和擋板延伸長(zhǎng)度如何變化，與無(wú)擋板工況相比，最大沖坑深度均明顯減小;②環(huán)翼式擋板的延伸長(zhǎng)度不同，橋墩附近的最大沖坑深度也不同，且隨著環(huán)翼式擋板延伸長(zhǎng)度的增大而減小，當(dāng)擋板延伸長(zhǎng)度為4.5 cm、流量為70m3/h時(shí)，最大沖坑深度可減小57.6%，即環(huán)翼式擋板延伸長(zhǎng)度與橋墩的半徑相同時(shí)，最大沖坑深度最小，很好地起到了防沖刷保護(hù)橋墩的作用。

表1 不同流量、不同擋板延伸長(zhǎng)度時(shí)的最大沖坑深度

3.2 擋板延伸長(zhǎng)度對(duì)流速分布的影響

由于橋墩的阻擋，行進(jìn)水流在墩前的流速、流向發(fā)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(shí)2—2斷面上的流速分布為例，研究水流各測(cè)點(diǎn)的流速及其變化情況，分析紊動(dòng)強(qiáng)度對(duì)橋墩局部沖刷的影響，確定擋板的最佳延伸長(zhǎng)度。

圖2～5為不同擋板延伸長(zhǎng)度時(shí)的流速分布，圖中縱向流速即順?biāo)鞣较蛄魉?，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(cè)線(xiàn)位置零點(diǎn)為水槽軸線(xiàn)所在位置，也即橋墩中心和測(cè)線(xiàn)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(wú)擋板時(shí)極小值出現(xiàn)在水槽軸線(xiàn)靠近河床底部處，極大值出現(xiàn)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(zhǎng)度的減小越來(lái)越大，當(dāng)擋板延伸4.5 cm時(shí)，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(duì)稱(chēng)分布，由于橫向流速對(duì)橋墩局部沖刷的影響較小，擋板延伸長(zhǎng)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(wú)擋板時(shí)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(zhǎng)度的增大，靠近河床的流速越來(lái)越小，當(dāng)擋板延伸長(zhǎng)度為4.5 cm時(shí)，流速減小的程度最大。

圖2 無(wú)擋板時(shí)2—2斷面流速分布

圖3 擋板延伸4.5cm時(shí)2—2斷面流速分布

圖4 擋板延伸3.0 cm時(shí)2—2斷面流速分布(單位:cm/s)

圖5 擋板延伸2.3 cm時(shí)2—2斷面流速分布

因?yàn)榇瓜蛄魉賹?duì)橋墩附近沖刷起著主要作用，所以對(duì)垂向流速作進(jìn)一步的分析。圖6為流量70m3/h時(shí)2—2斷面各測(cè)線(xiàn)上的垂向流速分布(圖中測(cè)點(diǎn)高度為測(cè)點(diǎn)到河床底部的垂直距離)，因?yàn)樗蹆蓚?cè)流速呈對(duì)稱(chēng)分布，這里僅研究測(cè)線(xiàn)1～4。

圖6 不同擋板延伸長(zhǎng)度2—2斷面不同測(cè)線(xiàn)的垂向流速分布

由圖6可以看出:無(wú)擋板時(shí)，測(cè)線(xiàn)1和2的垂向流速在一定范圍內(nèi)上下波動(dòng)，測(cè)線(xiàn)3、4的垂向流速隨著測(cè)點(diǎn)與河床距離的減小而增大，且測(cè)線(xiàn)越靠近橋墩中心，垂向流速越大;加上擋板后，測(cè)線(xiàn)1、2的垂向流速較小且變化不大，這是因?yàn)檫@2條測(cè)線(xiàn)在擋板側(cè)面，受擋板的影響較小;測(cè)線(xiàn)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?xún)?nèi)，并且隨著擋板延伸長(zhǎng)度的增大，近底垂向流速減小;在擋板所在位置處有拐點(diǎn)，這是因?yàn)閾醢遄钃跸聺撍?，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(dāng)擋板分別延伸4.5 cm和3.0 cm時(shí)，也就是說(shuō)擋板延伸長(zhǎng)度為橋墩半徑的1倍或2/3時(shí)，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(shí)不同擋板延伸長(zhǎng)度2—2斷面各測(cè)線(xiàn)上的近底垂向流速分布，因?yàn)橐运圯S線(xiàn)為對(duì)稱(chēng)軸，兩側(cè)流速呈對(duì)稱(chēng)分布，這里僅研究測(cè)線(xiàn)1～4，并且以橋墩中心為零點(diǎn)。

圖7 不同擋板延伸長(zhǎng)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(cè)點(diǎn)與水槽軸線(xiàn)距離的增大而明顯減小;②與無(wú)擋板工況相比，有擋板時(shí)近底垂向流速明顯減小，測(cè)線(xiàn)1、2的流速變化保持在0～4 cm/s之間，橋墩附近測(cè)線(xiàn)3、4的流速基本保持在4～12 cm/s之間;③隨著擋板延伸長(zhǎng)度的增加，橋墩中心測(cè)線(xiàn)4流速顯著減小，當(dāng)擋板延伸長(zhǎng)度為4.5 cm時(shí)，防沖刷效果較為明顯;④當(dāng)擋板延伸長(zhǎng)度分別為4.5 cm和3.0 cm，即擋板延伸長(zhǎng)度分別為橋墩半徑的1倍和2/3時(shí)，流速分布基本相近，可以根據(jù)實(shí)際情況選擇適當(dāng)?shù)膿醢逖由扉L(zhǎng)度;⑤當(dāng)擋板延伸長(zhǎng)度為2.3cm時(shí)，較無(wú)擋板情況，垂向流速減小不大，說(shuō)明對(duì)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(shè)計(jì)所追求的目標(biāo)之一，意味著水流對(duì)橋墩的沖刷作用將減弱，從而證明了環(huán)翼式擋板可有效提高橋墩防沖的效果。由于測(cè)線(xiàn)1、2受擋板的影響較小，垂向流速變化不大，因而對(duì)不同擋板延伸長(zhǎng)度2—2斷面測(cè)線(xiàn)3、4近底垂向流速單獨(dú)進(jìn)行分析。

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

圖8 不同擋板延伸長(zhǎng)度測(cè)線(xiàn)3、4近底垂向流速分布

3.3 擋板延伸長(zhǎng)度對(duì)紊動(dòng)強(qiáng)度的影響

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

圖9為不同擋板延伸長(zhǎng)度2—2斷面各測(cè)線(xiàn)的相對(duì)紊動(dòng)強(qiáng)度分布。由圖9可知，無(wú)擋板時(shí):①相對(duì)紊動(dòng)強(qiáng)度值基本保持在0.1左右，靠近水槽底部附近相對(duì)紊動(dòng)強(qiáng)度最大，靠近水面相對(duì)紊動(dòng)強(qiáng)度最弱;②橋墩中心測(cè)線(xiàn)4和靠近水槽邊壁的測(cè)線(xiàn)1的底部相對(duì)紊動(dòng)強(qiáng)度急劇增大，分別在0.3、0.5附近，這是因?yàn)榭拷鄣撞康牧魉偬荻群颓袘?yīng)力都比較大，加之河床面沙粒的影響;③測(cè)線(xiàn)1底部的相對(duì)紊動(dòng)強(qiáng)度大于測(cè)線(xiàn)4的，這主要是因?yàn)樗圻叡诖植诙雀蓴_的影響較強(qiáng)，而測(cè)線(xiàn)4底部形成沖坑，在河床附近相對(duì)紊動(dòng)強(qiáng)度較小。加上環(huán)翼式擋板后:①表層

圖9 不同擋板延伸長(zhǎng)度2—2斷面不同測(cè)線(xiàn)的相對(duì)紊動(dòng)強(qiáng)度

相對(duì)紊動(dòng)強(qiáng)度變化不大，基本保持在0.1，只有測(cè)線(xiàn)4的相對(duì)紊動(dòng)強(qiáng)度略有增大;②近底相對(duì)紊動(dòng)強(qiáng)度有所減小，全部在0.3以?xún)?nèi)，測(cè)線(xiàn)1相對(duì)紊動(dòng)強(qiáng)度明顯減小;③在擋板所在位置處，測(cè)線(xiàn)3、4相對(duì)紊動(dòng)強(qiáng)度明顯增大，這是由于擋板的存在破壞了水流原來(lái)的大小與走向，垂向流速在擋板處累積;④隨著擋板延伸長(zhǎng)度的增加，測(cè)線(xiàn)3、4在擋板處的相對(duì)紊動(dòng)強(qiáng)度越來(lái)越大，近底相對(duì)紊動(dòng)強(qiáng)度明顯減小;⑤當(dāng)擋板延伸長(zhǎng)度為2.3 cm時(shí)，各測(cè)線(xiàn)相對(duì)紊動(dòng)強(qiáng)度的趨勢(shì)基本與無(wú)擋板工況下相似，僅測(cè)線(xiàn)1近底相對(duì)紊動(dòng)強(qiáng)度略有減小，說(shuō)明此工況對(duì)減小下潛水流意義不大。

4 結(jié)論

a.橋墩附近的最大沖坑深度隨著環(huán)翼式擋板延伸長(zhǎng)度的增大而減小，當(dāng)擋板延伸長(zhǎng)度與橋墩的半徑相同時(shí)，較無(wú)擋板工況最大沖坑深度可減小57.6%。

b.當(dāng)擋板延伸長(zhǎng)度與橋墩的半徑相同時(shí)，較無(wú)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(duì)河床的沖刷。

c.隨著擋板延伸長(zhǎng)度的增加，測(cè)線(xiàn)3、4近底紊動(dòng)強(qiáng)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(xué)及水工模型試驗(yàn)研究。E-mail:chenglanyan2005@163.com

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

2012-05-24 編輯:熊水斌)