牟獻(xiàn)友+王丹+冀鴻蘭+李春江+喬春林

摘要：由于傳統(tǒng)橋墩沖刷防護(hù)措施的局限性，引入新型防沖裝置環(huán)翼式防沖板，對(duì)圓端形橋墩沖刷進(jìn)行防護(hù)，通過(guò)減小下降水流改變橋墩周圍水流結(jié)構(gòu)，主動(dòng)降低了下降水流對(duì)橋墩的沖刷。為探究環(huán)翼式防沖板對(duì)圓端形橋墩局部沖刷的防護(hù)作用，采用3種比例圓端形橋墩、3種環(huán)翼式防沖板安裝位置進(jìn)行物理模型試驗(yàn)，對(duì)圓端形橋墩周圍的沖坑特征、垂向流速、垂向紊動(dòng)強(qiáng)度、紊動(dòng)切應(yīng)力等水力要素進(jìn)行研究。結(jié)果表明：安裝環(huán)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(huán)翼式防沖板后，墩前垂向流速減小為0.039 m/s、垂向紊動(dòng)強(qiáng)度減小為0.025 m/s；防沖板上垂面紊動(dòng)切應(yīng)力增大，板下垂面紊動(dòng)切應(yīng)力減小。試驗(yàn)結(jié)果表明環(huán)翼式防沖板能夠減小橋墩的局部沖刷，具有很高的實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：圓端形橋墩；環(huán)翼式防沖板；沖坑特征；垂向時(shí)均流速；垂向紊動(dòng)強(qiáng)度；紊動(dòng)切應(yīng)力；垂向紊動(dòng)強(qiáng)度等值云圖

中圖分類號(hào)：TV131.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672 1683（2017）05-0146-10

1研究背景

橋梁災(zāi)害發(fā)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(jié)構(gòu)和沖刷發(fā)展過(guò)程是十分值得研究的工程問(wèn)題。針對(duì)橋墩周圍水流結(jié)構(gòu)和沖刷問(wèn)題，許多學(xué)者在野外原型觀測(cè)、物理模型試驗(yàn)、數(shù)值模擬等方面進(jìn)行了研究。H.N.C.Breusers繪制了橋墩周圍水流結(jié)構(gòu)圖，得出水流遇到橋墩后，橋墩附近流速、流向發(fā)生急劇變化，并且形成下降水流和馬蹄形漩渦，使水流紊動(dòng)劇烈形成沖刷坑。T.F.Kwan和Melville采用氫氣泡技術(shù)測(cè)量橋墩周圍流場(chǎng)，發(fā)現(xiàn)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(cè)量橋墩附近流場(chǎng)的三維流速，并用渦量場(chǎng)證明了圓柱形橋墩附近存在馬蹄形漩渦，底部存在負(fù)渦量的反向流。Dou（1998）通過(guò)等權(quán)重線疊加下降流強(qiáng)度、渦量強(qiáng)度和湍流強(qiáng)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(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型和模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，對(duì)橋墩局部沖坑深度進(jìn)行預(yù)測(cè)。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(shù)的關(guān)系。孫東坡利用有限體積法模擬橋墩附近三維流場(chǎng)的結(jié)構(gòu)變化，數(shù)值模擬結(jié)果符合橋墩局部流場(chǎng)的特征。劉震卿使用k-ε標(biāo)準(zhǔn)模型對(duì)墩臺(tái)周圍流場(chǎng)進(jìn)行模擬，還編寫了橋墩沖刷C+模擬程序。祝志文通過(guò)雷諾時(shí)均N-S方程并結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型對(duì)橋墩沖刷坑變化過(guò)程進(jìn)行模擬，數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本一致。

目前，主要采用傳統(tǒng)橋墩局部沖刷防護(hù)工程解決橋墩沖刷問(wèn)題。傳統(tǒng)防護(hù)工程包括實(shí)體抗沖防護(hù)和減速不沖防護(hù)兩類。實(shí)體抗沖防護(hù)是在橋墩附近的床面上安放實(shí)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(hù)是在橋墩附近安裝某些裝置、改變橋墩自身結(jié)構(gòu)減小水流對(duì)橋墩沖刷的工程措施。實(shí)體抗沖防護(hù)主要包括拋石防護(hù)、混凝土鉸鏈排防護(hù)、擴(kuò)大墩基礎(chǔ)防護(hù)、四角混凝土塊防護(hù)等；減速不沖防護(hù)主要包括護(hù)圈防護(hù)、橋墩開(kāi)縫防護(hù)、墩前淹沒(méi)檻防護(hù)等。傳統(tǒng)橋墩沖刷防護(hù)工程存在整體性較差、造價(jià)高、防護(hù)易失效和易引起更大的沖刷等局限性問(wèn)題，基于以上傳統(tǒng)橋墩沖刷防護(hù)措施的局限性，課題組采用環(huán)翼式防沖板這種新型防沖裝置對(duì)橋墩沖刷進(jìn)行防護(hù)。環(huán)翼式防沖板通過(guò)減小下降水流改變橋墩周圍水流結(jié)構(gòu)，主動(dòng)降低了水流對(duì)橋墩的沖刷，具有保護(hù)橋墩的作用。

前期試驗(yàn)中，課題組研究了防沖板在圓柱形橋墩上的應(yīng)用：張萬(wàn)峰研究了擋板的防沖刷效果，結(jié)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(zhǎng)度和安裝位置對(duì)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(zhǎng)度與橋墩半徑相同時(shí)，防沖效果明顯；陳艷梅研究了防沖板形狀對(duì)墩前垂向水流的影響和環(huán)翼式防沖板的最優(yōu)形狀，發(fā)現(xiàn)板前和板尾寬度為45 mm時(shí)水流垂向速度減小程度最大；王祚研究了防沖板數(shù)量對(duì)防沖效果的影響，試驗(yàn)表明安裝兩片防沖板時(shí)防沖效果最好；李春江分析了防沖板控制因素的主次關(guān)系，確定防沖板安裝位置對(duì)防沖效果影響最大；柏濤對(duì)串聯(lián)環(huán)翼式橋墩間的沖刷防護(hù)進(jìn)行了研究，得出下游側(cè)擋板安裝位置對(duì)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(jié)構(gòu)，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(yīng)用。胡旭躍研究了圓端形橋墩的側(cè)向紊流寬度，結(jié)果表明在一定范圍內(nèi)，隨弗汝德數(shù)的增大，紊流寬度增大；莊元研究了行進(jìn)流速、行進(jìn)水深、來(lái)流角度等因素對(duì)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(duì)減小水流紊動(dòng)強(qiáng)度的探究。本文采用環(huán)翼式防沖板減小水流對(duì)圓端形橋墩的沖刷，結(jié)合已有研究成果，對(duì)圓端形橋墩周圍沖坑、垂向時(shí)均流速、垂向紊動(dòng)強(qiáng)度等進(jìn)行研究，從而分析防沖板減小水流紊動(dòng)的效果。

2試驗(yàn)原理及概況

2.1試驗(yàn)原理

研究橋墩周圍的水流結(jié)構(gòu)，可以從根本上解決橋梁水毀的問(wèn)題。行進(jìn)水流遇到橋墩時(shí)，流速降低，動(dòng)能轉(zhuǎn)換為勢(shì)能，并在橋墩迎水面處形成駐點(diǎn)，導(dǎo)致墩前水面壅高，駐點(diǎn)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(jìn)水流在橋墩迎水圓弧處分離流向橋墩兩側(cè)，兩側(cè)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(fā)展且逐漸衰變?yōu)樗鞯奈蓜?dòng)；在墩后由于橋墩兩側(cè)邊界層分離形成尾流漩渦區(qū)，且河床床面不斷釋放因尾流漩渦和馬蹄形漩渦作用而產(chǎn)生的小漩渦。圓端形橋墩周圍水流結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

2.2試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)在長(zhǎng)2000 cm，寬50 cm，高90 cm的敞口玻璃水槽中進(jìn)行，人工調(diào)整的最大坡降是0.124%，如圖2所示。試驗(yàn)裝置主要由獨(dú)立供水循環(huán)系統(tǒng)、vectrino聲學(xué)多普勒點(diǎn)式測(cè)速系統(tǒng)、橋墩模型、防沖板模型等組成。試驗(yàn)段鋪設(shè)長(zhǎng)度50 cm，厚度23 cm的泥沙用于模擬河床表面的泥沙狀態(tài)，試驗(yàn)采用均質(zhì)細(xì)沙，中值粒徑D=0.24 mm。試驗(yàn)采用電磁流量計(jì)測(cè)量流量，流量調(diào)節(jié)閥控制流量；精密水位儀測(cè)量水位，出口尾門調(diào)節(jié)水位。

2.3試驗(yàn)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(shí)，水流結(jié)構(gòu)的改變和紊動(dòng)強(qiáng)度的變化不同，因此結(jié)合相關(guān)已完成預(yù)試驗(yàn)，并根據(jù)前期野外原型觀測(cè)，進(jìn)行模型比尺的計(jì)算以及水槽的尺寸，設(shè)計(jì)了小、中、大3種圓端形橋墩，尺寸分別為：小圓端中間矩形長(zhǎng)15cm，寬9 cm；中圓端中間矩形長(zhǎng)20 cm，寬9 cm；大圓端中間矩形長(zhǎng)25 cm，寬9 cm；圓端端頭半徑均為4.5 cm。防沖板內(nèi)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(zhǎng)寬比用b：2r表示；測(cè)點(diǎn)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(gè)斷面，7條測(cè)線；如圖5所示，垂向5個(gè)測(cè)點(diǎn)。采用vectrino流速儀測(cè)量各測(cè)點(diǎn)X、Y、Z方向的流速，X、Y、Z分別代表垂直水流方向、順?biāo)鞣较?、垂向方向。斷面、測(cè)線的布置根據(jù)墩前、墩中、墩后水流結(jié)構(gòu)的變化及墩頭半徑確定；測(cè)點(diǎn)的布置由表層、中層、底層水流紊動(dòng)變化及防沖板安裝位置確定。

2.4試驗(yàn)參數(shù)

3試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)開(kāi)始先用小流量給水，逐漸增大流量，直至達(dá)到需要的流量和水位。試驗(yàn)中，無(wú)論有無(wú)防沖板，水流流經(jīng)橋墩時(shí)，沖刷坑均先從橋墩墩頭兩側(cè)開(kāi)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(nèi)，最后被水流帶到墩側(cè)和墩后，并在墩后形成長(zhǎng)距離沙脊。試驗(yàn)中，觀察到水面線波動(dòng)較大；半小時(shí)內(nèi)沖刷坑形態(tài)基本穩(wěn)定；半小時(shí)后沖刷坑形態(tài)變化微小。

3.1沖坑特性分析

試驗(yàn)過(guò)程中，隨圓端形橋墩b：2r不同，試驗(yàn)現(xiàn)象亦不同。試驗(yàn)中測(cè)量沖坑深、墩左右兩側(cè)沖坑寬度、計(jì)算沖坑體積等，結(jié)果見(jiàn)表1。

從表中可以看出，無(wú)防沖板時(shí)，隨圓端形橋墩b：2r的增大，對(duì)水流結(jié)構(gòu)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(duì)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(wú)板時(shí)，隨橋墩b：2r的增大左右兩側(cè)沖坑寬度增大；加板后，s、m、l左右兩側(cè)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(shí)，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(shí)，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(yàn)的3種安裝位置下，采用相同防沖板，安裝位置在1/3h時(shí)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(yàn)工況下3種圓端形橋墩的水力特性。