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        砂土中圓形橋墩局部沖刷試驗研究

        2022-10-18 11:01:38周正翰
        水利科技與經(jīng)濟(jì) 2022年10期
        關(guān)鍵詞:深度測量

        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間變化進(jìn)行了實驗研究。采用一種新的高分辨率非侵入式方法,測量了隨時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)值模擬試驗結(jié)果。陳啟剛等[3]提出了一個半經(jīng)驗?zāi)P?,用于估算未暴露基礎(chǔ)的圓柱形橋墩沖刷深度的時間發(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)果與實驗數(shù)據(jù)吻合較好。齊梅蘭等[4]在其最近的研究中指出,實驗室開發(fā)的沖刷預(yù)測方法和基于實驗室數(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,實驗室調(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)橋墩沖刷的時間發(fā)展。在這項工作中,通過試驗研究,以調(diào)查橋墩形狀、流量和時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 實驗裝置

        2.1 實驗儀器

        實驗在華北水利水電大學(xué)水力學(xué)實驗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,高于實驗室地板1.3 m。水槽配有兩個控制閘門,一個垂直閘門位于工作段上游,一個尾門位于水槽下游。進(jìn)入通道的水由建造在實驗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測量儀,用于測量橋墩上游和下游的表面高程。

        2.2 實驗程序

        在水槽渠道段的中間放置一個圓柱形橋墩,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。在每個規(guī)定的時間間隔后,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,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 最大沖刷深度隨時間的變化(系列-I數(shù)據(jù))

        圖9 最大沖刷深度隨時間的變化(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持續(xù)時間,沖刷坑深度隨著引發(fā)沖刷的增加流量持續(xù)時間的增加而增加。在橋墩處觀察到的沖刷量也隨著試驗持續(xù)時間的增加而增加,橋墩沖刷坑的時間發(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間的變化進(jìn)行了試驗研究,試驗結(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:沖刷深度隨時間增加,但沖刷深度的增加率在較長時間間隔內(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間和流速,最大沖刷深度也隨著流量和時間的增加而增加;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)值模擬試驗結(jié)果。

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