橋墩局部沖刷計(jì)算方法研究

橋墩局部沖刷計(jì)算方法研究

許多橋梁洪水是由橋梁磨損造成的。正確預(yù)測(cè)橋墩局部磨損深度是橋梁設(shè)計(jì)的一個(gè)重要課題。半個(gè)世紀(jì)以來,很多國(guó)家的學(xué)者對(duì)橋墩局部沖刷做了大量的模型試驗(yàn)研究,獲得了豐富的試驗(yàn)資料,并為橋墩設(shè)計(jì)預(yù)測(cè)橋墩沖刷深度提供了計(jì)算方法。但是,理論研究和試驗(yàn)結(jié)果都必須經(jīng)受實(shí)橋觀測(cè)資料的檢驗(yàn)。1954年,前蘇聯(lián)雅洛斯拉夫切夫根據(jù)墩前水流動(dòng)能和沖走泥沙能量消耗相平衡的假定,建立橋墩沖刷深度公式。隨著人們對(duì)橋墩繞流旋渦體系及床面泥沙運(yùn)動(dòng)引起局部沖刷過程的進(jìn)一步認(rèn)識(shí),發(fā)現(xiàn)橋墩沖刷深度hb在床面泥沙起動(dòng)前,隨流速V增加很快,變化率dhb/dV較大;在床面泥沙起動(dòng)后,因沖刷坑內(nèi)泥沙得到上游床面泥沙補(bǔ)給,沖刷深度增加緩慢,變化率dhb/dV很小,床面泥沙起動(dòng)流速是兩者的分界限。1964年,中國(guó)土木工程學(xué)會(huì)橋梁工程委員會(huì)舉行了橋渡沖刷學(xué)術(shù)會(huì)議,在橋梁繞流旋渦體系及泥沙運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)上,匯總?cè)珖?guó)研究成果,制定了供生產(chǎn)試用計(jì)算橋墩局部沖刷的65—1和65—2式,并且都寫入中國(guó)公路、鐵路有關(guān)規(guī)范,這2個(gè)公式應(yīng)用20多年后,分別加以修正簡(jiǎn)化,更為合理。特別是《公路橋位勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范(JTJ062—91)》中的65—2修正式,即h0=0.46KξB0.6h0.15D?0.07?[(V?V′0)/(V0?V′0]n(1)h0=0.46ΚξB0.6h0.15D-0.07?[(V-V′0)/(V0-V′0]n(1)應(yīng)用世界各國(guó)500余項(xiàng)不同類型河流中橋墩沖刷實(shí)測(cè)資料進(jìn)行驗(yàn)證,表明計(jì)算值與實(shí)測(cè)值符合較好。但是,這類公式中因含有河床質(zhì)起動(dòng)流速V0和橋墩床面起沖流速V′0,計(jì)算較為復(fù)雜。本文試圖在上述沖刷機(jī)理的基礎(chǔ)上,通過實(shí)測(cè)資料的分析,建立1種型式簡(jiǎn)明,便于生產(chǎn)應(yīng)用的預(yù)測(cè)橋墩沖刷深度的計(jì)算公式。1局部橋墩磨損機(jī)1.1馬蹄形螺旋組合橋墩周圍的水流結(jié)構(gòu)主要包括墩前向下水流、墩前沖擊波和橋墩周圍水流場(chǎng)的旋渦體系。旋渦體系是1種水流結(jié)構(gòu),是預(yù)測(cè)橋墩局部沖刷的主要因素。其中包括墩前沖刷坑邊緣形成的繞橋墩內(nèi)側(cè)流向下游的馬蹄形旋渦,它在墩前將使向下流動(dòng)的最大流速位置更靠近橋墩;墩兩側(cè)由于流速梯度產(chǎn)生的邊界分離,形成立軸旋渦;向下游移動(dòng)的尾流旋渦,不斷地從橋墩兩側(cè)釋放出來,促進(jìn)沖刷過程的發(fā)展,象真空吸塵器一樣,每個(gè)旋渦形成1個(gè)低壓中心,牽動(dòng)馬蹄形旋渦區(qū)內(nèi)的流體不斷地進(jìn)行橫向、豎向和前后擺動(dòng),劇烈淘刷橋墩迎水端和周圍泥沙,形成局部沖刷坑。如圖1所示橋墩附近的水流結(jié)構(gòu)。1.2沙坑下魚沙沖刷squere-scur河流流速V小于床沙起動(dòng)流速V0,床面泥沙靜止不動(dòng)。但是,橋墩周圍因繞流而使局部流速增大,首先橋墩上游兩側(cè)達(dá)到或超過起動(dòng)流速V0,該處泥沙移向下游,開始出現(xiàn)沖刷坑。這時(shí)沖刷坑內(nèi)無上游來沙補(bǔ)給,稱為清水沖刷(ClearWaterScour);當(dāng)河槽內(nèi)流速超過起動(dòng)流速時(shí),床沙處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài),沖刷坑內(nèi)得到上游來沙補(bǔ)給,沖刷深度隨流速而增大,但是沖刷率明顯減小,這種沖刷稱為動(dòng)床沖刷(MovingBedScour)。如圖2為梅江寧河橋6號(hào)墩局部沖刷觀測(cè)資料繪出的沖刷深度與墩前行近流速的關(guān)系曲線圖。2計(jì)算橋墩局部磨損深度的公式的確定2.1近水流深度、泥沙流動(dòng)特征因素假定水流為恒定均勻流,影響橋墩沖刷的因素歸納為下列幾方面:(1)流體特征因素:流體密度ρ、流體運(yùn)動(dòng)粘度v、重力加速度g;(2)流動(dòng)特征因素:行近水流深度h、弗汝德數(shù)Fr、水流方向與墩軸的夾角θ;(3)河床質(zhì)特征因素:泥沙密度ρs、泥沙粒徑D、粒徑級(jí)配結(jié)構(gòu)、土壤粘性;(4)橋墩特征因素:橋墩形狀Kξ、橋墩計(jì)算寬度B。2.2國(guó)外實(shí)測(cè)資料的分析橋墩局部沖刷深度hb與主要因素h、D、Fr、B、Kξ的關(guān)系可表示成下列無量綱函數(shù)hb/B=f(h/B,D/B,Fr,Kξ)hb/B=f(h/B,D/B,Fr,Κξ)根據(jù)量綱分析原理可寫成hb/B=KKξFar(h/B)b(D/B)c(2)hb/B=ΚΚξFra(h/B)b(D/B)c(2)上式中的系數(shù)和指數(shù),根據(jù)各國(guó)橋墩沖刷現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)資料應(yīng)用多元回歸分析來確定。這些實(shí)測(cè)資料包括中國(guó)資料212項(xiàng),美國(guó)、加拿大和新西蘭資料79項(xiàng),前蘇聯(lián)各加盟共和國(guó)和前南斯拉夫資料109項(xiàng),共計(jì)400項(xiàng)。這些資料覆蓋了亞洲、北美洲、歐洲和大洋洲的長(zhǎng)江、黃河、密西西比河、伏爾加河、多瑙河等大江河和山區(qū)急流的小河以及大型運(yùn)河上的各類橋梁。這些資料各項(xiàng)水力因素?cái)?shù)值的范圍很廣:水深h(m)0.20～18.50流速V(m/s)0.15～4.32料徑(mm)0.008～150流向偏角θ(°)0～45應(yīng)用計(jì)算機(jī)對(duì)國(guó)內(nèi)外400場(chǎng)實(shí)測(cè)資料進(jìn)行多元回歸分析,得到三元回歸方程hb=0.61Kξh0.596B0.532D?0.128F0.305r(3)hb=0.61Κξh0.596B0.532D-0.128Fr0.305(3)復(fù)相關(guān)系數(shù)R=0.70,若取信度α=0.05,Fα=2.60,則Rα=0.14。由此可知,R>Rα,表明回歸方程(3)和各項(xiàng)實(shí)測(cè)資料關(guān)系是密切的。為了便于公路工程設(shè)計(jì)者的使用,將式(3)簡(jiǎn)化為hb=0.304Kξh0.29B0.53D?0.13V0.61(4)hb=0.304Κξh0.29B0.53D-0.13V0.61(4)式中:hb為橋墩局部沖刷坑深度(m),由一般沖刷后床面算起;Kξ為墩型系數(shù),見《公路橋位勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范(JTJ062—91)》;h為行進(jìn)水流深度(m),取一般沖刷后水深;B為計(jì)算墩寬(m);D為河床質(zhì)平均粒徑(m);V為行進(jìn)流速(m/s),取一般沖刷后墩前流速。2.3實(shí)測(cè)橋墩局部沖刷深度和計(jì)算值相對(duì)誤差本文利用計(jì)算機(jī)處理了大量的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)資料,公式(4)相對(duì)誤差DDY≤+30%所占百分比為32.5%,DDY≤+50%所占百分比為61.5%,其中相對(duì)誤差DDY=(實(shí)測(cè)值-計(jì)算值)/實(shí)測(cè)值,圖3所示實(shí)測(cè)橋墩局部沖刷深度和計(jì)算值的相關(guān)圖。3數(shù)值精度比較現(xiàn)選擇幾個(gè)典型的實(shí)測(cè)資料,運(yùn)用不同的計(jì)算公式,即《公路橋位勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范(JTJ062—91)》給出的65—1修正式、65—2修正式及本文式(4)進(jìn)行計(jì)算,數(shù)值精度比較見表1。4局部沖刷深度的計(jì)算方法(1)河床質(zhì)是由大小不同的泥沙顆粒組成的,實(shí)橋觀測(cè)資料表明:實(shí)橋沖刷過程中,清水沖刷和動(dòng)床沖刷2階段并無截然的分界點(diǎn)。由床沙平均粒徑D計(jì)算的起動(dòng)流速V0,只是反映平均狀態(tài)下2種沖刷分界的估計(jì)值。本文從分析橋墩繞流旋渦體系及床面泥沙運(yùn)動(dòng),從橋墩局部沖刷的機(jī)理出發(fā),根據(jù)清水沖刷和動(dòng)床沖刷的實(shí)測(cè)資料,采用1條曲線擬合的方法,得到了預(yù)測(cè)橋墩局部沖刷深度的計(jì)算公式(4)。(2)本文應(yīng)用了國(guó)內(nèi)外