010第DOI:33卷10. 第136424期/j.cn k i . i ssn. 1001-7445. 2008. 04. 广西大学学报(自然科学版)
2008年12月Jour na l o f Guangx i U niv er sity (N at Sci Ed) 文章编号:1001-7445(2008) 04-0370-04
V o l. 33, N o. 4
Dec. , 2008
桥墩局部冲刷计算探讨
(广西大学土木建筑工程学院, 广西南宁530004)
①
吴雪茹, 陈光强, 莫崇勋, 张小飞, 苏国韶
摘要:为了确定桥墩的局部冲刷深度, 运用不同的计算公式, 对多座桥梁的桥墩进行局部冲刷计算. 计算结果表明, 不同公式计算的结果相差较大, 各冲刷参数对局部冲刷影响明显. 说明在计算桥墩的局部冲刷时, 须根
据桥梁所在的河段情况, 选择适合的计算公式和参数, 才能确保局部冲刷深度计算的准确性. 关键词:桥墩; 局部冲刷; 水流流速; 公式; 参数中图分类号:U 442. 4 文献标识码:A
Study on calculation of local scour at bridge pier
W U Xue -ru , CHEN Guang -qiang , M O Chong -xun , ZHAN G Xiao -fen , SU Guo -sao
(Colleg e of Civil and Ar chitectural Eng ineering , Guangx i U niv e rsity , N anning 530004, China)
Abstract :Different equatio ns w ere used to analyze the local scour at bridg e pier of sev eral bridg es. The results sho wed that there s a hug e difference among results of different equatio ns with different v alue of pa ram eters . Th erefo re , in o rder to obtain reliable result of lo cal scour depth during analy sis local sco ur at bridg e pier , reaso nable equa tions and their parameters m ust be determined by actual situation of bridg e and riv er . Key words :bridg e pier; local scour; flo w v elocity; equatio n; param eter 跨河的公路桥梁, 因桥墩占据了部分河道的行洪面积, 引起桥墩附近水流和泥沙情势改变, 使桥墩周围河床发生冲刷变形, 冲刷变形指标是确定桥墩基础埋深的重要依据. 我国的桥涵水文计算中, 把河床的冲刷分解为自然演变冲刷、一般冲刷和局部冲刷三部分, 并假定它们相继进行, 可以分别计算, 然后叠加, 作为墩台的最大冲刷深[1]
度. 本文根据实际工程的局部冲刷计算结果, 分析主要参数对局部冲刷的影响, 指出公式的适应范围和不足, 提出确定局部冲刷深度的建议.
式的形式如下.
(1) 65-1修正式
0. 6
≤g 0, h b =k a -g 0); g k Z 1B 1(g
g g0, h b =k a k Z 1B 1
0. 6
01(g -g 0) ;
g 0-g 0n
1 计算公式简介
对非粘性土河槽, 国内主要使用的局部冲刷
公式有:65-1修正式、65-2式及65-2修正式. 公
①
k Z 1=0. 0. 45+0. 15;
d d
0. 14p p 0. 5-0=0. (332d +g 0. 060. 25(-d ) 0. 190
g 0′=0. 1g 0; n 1=
B h b 为桥墩局部冲刷深度(m ); h p 为一般冲刷后最大水深(m ); B 1为桥墩计算宽度(m ); g 为墩
0为河床泥沙起动流速前行近流速(m /s);g
收稿日期:2008-08-21; 修订日期:2008-10-10基金项目:国家自然科学基金资助项目(40702053)
(女, , ; :w x@163. co m.
第4期吴雪茹等:桥墩局部冲刷计算探讨
371
-为河床(m /s ); g 0′为墩前泥沙始冲流速(m /s ); d
泥沙平均粒径(mm ); K a 为桥墩形状系数.
(2) 65-2式
0g ≤g0, h b =k a k Z 2B 10. 6h p 0. 15;
g 0
n 200. 60. 15g g0, h b =k a k Z 2B 1h p ; 0g
-0. 24; k Z 2=+0. 375d d
0. 5--+0. 5) 0. 55
g 0=0. 28(d +0. 7) ; g 0′=0. 12(d
0-以m 计. n 2=, d
(3) 65-2修正式
n 2
00. 600. 15--0. h b =0. 46k a B 1h p d ; g 0-g 0p 0. 14p 0. 5--70=29d +6. 05×10; g 0. 72d d
0. 0530′=0. 0; g g B 1
-0. 35+2. 23lg d 0
g ≤g0, n 2=1; g g0, n 2=, -d 以m
计.
-0. 23+0. 19lg d
最大, 对床面泥沙的作用最强, 当这里的流速达到床沙的起动流速时, 桥墩开始冲刷. 这时上游绕流
始端附近的行近流速为桥墩的始冲流速υ0′. 墩后为旋涡区, 冲刷的深度与旋涡强度、砂粒径及级配和泥沙起动流速有关, 泥沙起动流速与一般冲刷后的水深和泥沙粒径有关, 而泥沙始冲流速又与其起动流速和桥墩的尺寸有关, 冲刷过程中各参数之间的关系十分复杂.
(3) 行近流速及其它行近流速g 是指桥墩上游不远处, 未受绕流影响的墩前天然流速, 可以用公式计算或数学模型求得. 当采用公式64-2计算一般冲刷h p 时, 行近流速计算公式为[3]
d 2
g =
1. Q c
0. 4
0. 1
c
_(1-λ) B 0. 34
cm
h c
2/3
g c ,
式中, h cm 为桥下河槽最大水深(m ); h c 为桥下河
槽的平均水深(m ); B c 为桥位断面天然河槽水面宽度(m ) ; B cg 为桥长范围内的河槽宽度(m ); Q 2为桥下断面河槽部分通过的设计流量(m 3/s ); Q c
c 为河槽平均流为天然状态下河槽流量(m /s);g
速(m /s);A d 为单宽流量集中系数.
行近流速与断面形态h cm /h c , 河槽宽度B cg , 桥下水流侧向收缩系数_, 桥墩阻水面积比λ及单宽流量集中系数A d 有关. 水流侧向收缩系数_受天然河槽的平均流速和大桥跨度影响, 所计算的10座大桥中, 江坝、八甫两大桥为一跨过江, 其余为
3
2 主要参数对局部的冲刷影响
影响局部冲刷深度的因素主要有桥墩型式和尺寸、泥沙粒径、水流流速及一般冲刷后的水深. 在利用上述三个公式对广西境内10座大桥进行局部冲刷计算时, 发现主要参数对局部冲刷的影响如下.
(1) 泥砂粒径
桥墩周围的局部冲刷深度与泥砂粒径的大小和级配有关. 当泥沙粒径d =15mm 时, 泥沙的起动流速最小; d 15m m 时, 泥沙的起动流速随泥沙粒径的增大而增大, 大颗粒泥沙的起动流速主要由克服重力来确定; d 15mm 时, 泥沙的起动流速随泥沙粒径的减小而增大, 小颗粒泥沙的起动流速主要由克服分子的粘结力来确定[1, 3]. 水流与泥沙互相作用、互相制约, 泥沙粒径的大小对局部冲刷计算反映敏感.
(2) 泥沙起动流速、始冲流速
0是床面泥沙颗粒在各种力作泥沙起动流速υ
用下失去平衡, 泥沙开始运动时的水流垂线平均流速. 桥墩的干扰使水流在墩周产生绕流, 在墩两侧的迎水面某处主流脱离边界, 该处的流速梯度[2]
多跨过江, 水流侧向收缩系数_=0. 977～0. 997, λ=0. 011～0. 043不等. 在水力学研究中, _约为0. 85～0. 98. 分析的角度不同结果差别不大, 因此认为系数的分析方法合理[3].
单宽流量集中系数A d 与河槽的形状有关, 10座大桥分布在左江、右江、红水河及都柳江, 计算得A d =1. 01～1. 13(八甫大桥除外). 这些工程所在的河道为山区河流, 河道的滩槽区分明显, 根据山区河流过流断面窄深型的特点, 认为计算的值域A d 合理.
3 局部冲刷计算结果分析
根据65-1修正式, 65-2式及65-2修正式、10座桥的局部冲刷计算结果见表1.
372
广西大学学报(自然科学版)
表1 局部冲刷深度表(100年一遇洪水)
Tab . 1 The calculating results of local scour depth (for 100years -f lood )
第33卷 单位:m
坛郎
3. 2924. 9861. 626
八甫3. 2544. 6811. 522
都柳江3. 4256. 1311. 633
那福3. 6305. 0771. 782
桥名65-1修正式①65-2式②65-2修正式③
①-②①-③②-③
百峰2. 3373. 3531. 176
江坝2. 5963. 8061. 291
金鸡滩2. 5673. 4311. 256
田阳2. 3333. 3521. 176
花周3. 8005. 3281. 808
巴楼3. 8755. 5731. 812
-1. 016-1. 210-0. 864-1. 019-1. 528-1. 698-1. 694-1. 427-2. 704-1. 4471. 1611. 3051. 3111. 1571. 9922. 0631. 6661. 7321. 7921. 8482. 177
2. 515
2. 175
2. 176
3. 520
3. 761
3. 360
3. 159
4. 498
3. 295
注:表中计算局部冲刷时的行近流速为数学模型计算值.
计算结果表明:用公式65-2计算的结果最
大, 65-2修正式最小, 10座桥中有6座的局部冲刷最大值与最小值之差值在3m 以上, 其余4座桥差值不小于2m. 根据65-1修正式与65-2式计算的结果, 差值在0. 864～2. 704m 之间; 用公式65-1修正式与65-2修正式的计算结果差值在1. 157～2. 063m 之间. 若单从工程的安全角度考
虑, 公式65-1修正式和公式65-2的计算结果较为
安全. 但10座桥桥位所在的河段河床一般为卵石覆盖, 河段中河槽及两岸时有岩石出露. 据此认为, 65-2修正式的计算结果更为合理.
表2为根据公式计算和数学模型计算的行近流速、用公式65-2修正式计算的局部冲刷深度值.
表2 局部冲刷深度表(100年一遇洪水)
Tab . 2 The calculating results of local scour depth (f or 100years -f lood )
桥名
g ·s ) 1/(m
局部冲深/mg ·s -1) 2/(m
局部冲深/m①-③/(m ·s -1)
②-④/m
-1
百峰
①②③④⑤⑥
5. 8412. 1903. 4841. 4552. 3570. 740
江坝3. 4101. 4973. 3921. 4360. 0180. 061
金鸡滩3. 2411. 5691. 9700. 6181. 2710. 951
田阳3. 1521. 2632. 5530. 8380. 5970. 425
花周1. 8310. 4241. 7650. 3480. 0660. 076
巴楼2. 6511. 0602. 6131. 0190. 038
坛郎2. 3851. 4282. 7091. 9660. 324
八甫5. 3251. 522
都柳江3. 4211. 778
那福2. 7641. 9132. 7981. 9330. 0345
3. 9824. 2901. 6691. 6911. 343-0. 869
0. 041-0. 538-0. 1470. 087-0. 020
注:υ1为公式计算值; υ2为数学模型计算值.
表2的计算结果表明, 即使同一个计算公式, 若用不同的行近流速来确定局部冲刷深度时, 差别也很明显. 行近流速的公式计算值与数学模型计算值吻合情况并不理想, 10座桥中行近流速差值在0. 597m /s 以上的占有有半数, 最大差值在2. 357m /s.根据水文分析, 这10座桥所在的河段河道深泓线的流速一般为3～4m /s,个别滩险
[3]
水急处可达4～5m /s. 可见, 用数学模型计算的行近流速更接近天然河道的行近流速. 如此, 百峰、金鸡滩、田阳和八甫4座桥公式计算的行近流速值偏大, 都柳江的偏小, 其余5座桥的计算值与实际值较为接近.
以上计算的10座桥所在的河道河床一般为卵石覆盖, 粒径在30～50m m 之间, 河槽局部还有岩石出露, 计算得局部冲刷深度与一般冲刷深度之比为1. 05左右. 取局部冲刷与一般冲刷之比为1. 05, 则10座桥的总冲深为表3. 参考文献[4]认为, 河道上的桥墩及一些建筑物的局部冲刷与一般冲刷之比约为1. 5～4. 根据10座桥的河槽地质, 并参考广西境内已建的桥墩冲刷情况, 对于广西境内工程, 桥墩的局部冲刷与一般冲刷之比在1. 05～1. 1, 总冲刷深度在2～3m 左右比较合理.
[3]
表3 冲刷深度表(100年一遇洪水)
Tab . 3 The calculating results of scour depth (f or 100years -f lood )
桥名局部冲深/m一般冲深/m总冲刷深度/m
百峰1. 4551. 3862. 841
江坝1. 43611. 3682. 804
金鸡滩0. 6180. 5891. 207
田阳0. 8380. 7981. 636
花周0. 3480. 3310. 679
巴楼1. 0190. 9701. 989
坛郎1. 9661. 8723. 838
八甫1. 6691. 5893. 258
都柳江1. 6911. 6103. 301
那福1. 9331. 8413. 774
第4期吴雪茹等:桥墩局部冲刷计算探讨
373
可见, 不同的公式计算结果差别较大, 相同的公式从不同的角度确定参数时, 计算结果差别同样存在, 说明各公式中, 反映有关参数的影响不完全相同, 公式有一定的适应范围. 对广西境内的山区河流, 在进行河道的局部冲刷计算时, 公式65-2修正式计算结果较为合理.
以上分析了各主要参数对局部冲刷的影响, 实际上桥墩周围发生绕流后, 绕墩水流在桥墩两侧形成立轴涡旋, 桥墩处一定水深以下水流倾斜向下, 在床面处形成横轴环状涡旋带, 正是这些涡旋促成局部冲刷发生, 冲刷的深度与旋涡强度紧密相关. 参考文献[4]、[5]就曾从一般的动床水工模型分析, 提出对冲刷起主要作用的是冲刷区处旋涡与主流分界面上的剪切应力, 包括层流的时均剪切应力和紊流附加剪切应力. 在桥下高度紊动的水流中, 对局部冲刷起主要作用的是附加剪切应力. 若能在计算局部冲刷的公式中适当考虑紊流附加剪切应力的影响, 或许会使局部冲刷计算公式更加完善.
计算结果相差较大, 对广西境内的山区河流, 65-2修正式计算结果较为合理.
桥墩的局部冲刷和一般冲刷几乎是同时完成的, 由于冲刷机理复杂, 影响冲刷的因素较多, 很难做到精确确定桥墩的冲刷深度, 即使在固体模型上或将来大桥建成以后对实际的冲刷进行测量, 也无法区分局部冲刷和一般冲刷的界限, 因此在选择冲刷的计算公式和公式中的参数时, 应根据工程的地质情况和所在河段的河势谨慎选择, 重要的工程最好通过水工模型试验论证.
参考文献:
[1] 高冬光. 桥涵水文[M ].北京:人民交通出版社,
2003. [2] 张佰战, 李付军. 桥墩局部冲刷计算研究[J].中国铁道科学, 2004, 25(2):48-51.
[3] 吴雪茹. 桥墩一般冲刷计算研究[J ].水运工程,
2007(5):27-30. [4] 毛昶熙, 周名德, 柴恭纯. 闸坝工程水力学与设计原
理[M ].北京:水利电力出版社, 1995. [5] 伍冬领, 邢 艳, 谢晓波, 等. 钱江四桥桥墩局部冲
刷试验研究[J ].桥梁建设, 2005(2):19-21.
4 结 论
对于桥墩的局部冲刷, 因为参与冲刷的因素较多, 用不同的公式和从不同的角度选择参数时,
(上接第369页)
[7] Isukapalli S S. U nce rtainty ana ly sis o f tra nspo rt-transfo rmation mo dels [J ].PhD thesis :T he Sta te univ ersity o f New Jersey , 1999. [8] Huang shuping.
sto cha stic
finite
A
collo catio n-ba sed
spectr al
element analysis-sto chastic
respo nse surface appr oach [J ].Chinese J o urnal o f Co mputa tio nal M echanics, 2007, 24(2):173-180.
Xinjian
Kou.
An
ex tended
(责任编辑 梁碧芬)
pro blems [J].Acta M ech Sin, 2007, 23:445-450. [10]Shuping Hua ng , Sanka ran M ahadev an, Ram esh
Rebba . Co llocation -based sto cha stic finite element
analysis fo r rando m field pro blems [J].Pr obabilistic Enginee ring M echa nics, 2007(22):194-205.
[11] Spanos P , Gha nem R . Stochastic finite element :A
spect ral appr oach [M].New Y or k :Spring er -V erlag ,
1991.
[9] Shuping Huang,
sto cha stic response sur face method for random field
(责任编辑 梁碧芬)