陳艷梅,牟獻(xiàn)友,成蘭艷,張志澍

(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.巴彥淖爾市臨河區(qū)水務(wù)局,內(nèi)蒙古 巴彥淖爾 015000)

我國河流眾多,流域面積大于100 km2的有5萬多條,大于1 000 km2的有1 500多條[1]。在河流治理中,泥沙問題增加了河流整治的危害性和復(fù)雜性。水流、泥沙和河床邊界三者共同影響河流的變化規(guī)律。河道中橋墩的沖刷包括自然演變沖刷、一般沖刷和局部沖刷[2]。橋墩附近水流與泥沙相互作用,河床不斷被沖刷與推變,由此構(gòu)成了河床的自然演變沖刷[3]；設(shè)置橋墩后,通過橋孔的急流被橋墩壓縮引起過流流速增大,水流挾沙力也增大,水流沖刷橋墩上下游河床的泥沙,形成橋墩附近河床面的沖刷,稱為一般沖刷[4]；由于橋墩阻流產(chǎn)生的水流沖擊和漩渦流作用,在橋墩周圍形成了局部河床變形,稱為橋墩的局部沖刷[5]。橋墩的最大沖刷深度[6]是在假定這3種沖刷相繼發(fā)生的基礎(chǔ)上,3種沖刷疊加之后的結(jié)果。

近年來,隨著跨江大橋的建設(shè),由橋梁失穩(wěn)帶來的災(zāi)害越來越多,在引起橋梁失穩(wěn)的眾多因素中,橋墩局部沖刷是主要原因。另外,在橋墩基礎(chǔ)施工過程中,施工圍堰周圍也會(huì)發(fā)生沖刷,其沖刷現(xiàn)象類似于橋墩附近的沖刷[7]。研究橋墩局部沖刷具有重要的現(xiàn)實(shí)意義,如陜西省戶縣橫跨灃河的東西大橋,3根橋柱周邊被水流沖擊得傷痕累累,1個(gè)橋墩開始傾斜,橋墩下部混凝土構(gòu)造物經(jīng)水沖刷裸露出一個(gè)個(gè)編織袋；位于甘肅省天?？h的華干路大橋突然垮塌,造成經(jīng)濟(jì)損失約300萬元,調(diào)查發(fā)現(xiàn)大橋上下游的采砂廠在大橋上下河床采砂,造成河床下降,橋墩基礎(chǔ)外露達(dá)1 m多,橋墩基礎(chǔ)被洪水沖刷成空洞。張萬鋒等[8]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)為擋板數(shù)量對橋墩局部沖刷的影響并不大。成蘭艷等[9-10]研究了環(huán)翼式橋墩單一擋板的防沖效果,確定了環(huán)翼式擋板的最佳位置和最佳尺寸。本文在上述基礎(chǔ)上研究環(huán)翼式橋墩不同擋板形狀的防沖效果并確定了最優(yōu)擋板形狀。

1 試驗(yàn)原理與內(nèi)容

1.1 試驗(yàn)原理

沖刷的問題最終都可歸結(jié)為水、沙相互作用的問題。局部沖刷由橋墩周圍的紊流漩渦(馬蹄形漩渦)引起。橋墩處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、墩后尾漩渦水流，其中下潛水流在沖刷時(shí)占主導(dǎo)作用,也是沖刷的主要原因[9]。環(huán)翼式擋板可阻擋下潛水流,改變其大小和方向,迫使下潛水流向兩側(cè)分流,從而減小水流對橋墩的沖刷能量,削弱漩渦淘蝕,起到防護(hù)的作用[10]。本文根據(jù)上述原理,通過改變下潛水流達(dá)到防護(hù)局部沖刷的目的。

1.2 試驗(yàn)內(nèi)容

模型試驗(yàn)時(shí),測量了環(huán)翼式橋墩不同流量、不同擋板形狀共12個(gè)工況下各測點(diǎn)的三維瞬時(shí)流速及沖坑深度,研究了擋板形狀對最大沖坑深度的影響以及橋墩周圍時(shí)均流速和紊動(dòng)強(qiáng)度的變化規(guī)律,在此基礎(chǔ)上確定環(huán)翼式擋板的最優(yōu)形狀。

2 試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)材料及裝置

試驗(yàn)在內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利水電實(shí)驗(yàn)室完成。試驗(yàn)中使用的動(dòng)床材料為均勻沙,平均粒徑為0.55 mm,橋墩模型由PVC飲水管制成,擋板用PVC板制作,3種規(guī)格的半圓形擋板分別用N1、N2和N3表示,擋板內(nèi)徑均為45 mm,板前端寬度均為45 mm,板尾端寬度分別為45 mm、23 mm和0 mm,見圖1。

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

試驗(yàn)水槽為2 000 cm×50 cm×90 cm(長×寬×高)的玻璃水槽,底坡坡降為0.124%,試驗(yàn)時(shí)水溫為18～20℃,水的密度為998.255 kg/m3,運(yùn)動(dòng)黏滯系數(shù)為1.046 6×10-6m2/s。橋墩所在的沖刷段鋪沙長度為500 cm,厚度為21 cm。每次試驗(yàn)前將沙床面鋪平,并放水浸泡2 h直至沖刷穩(wěn)定,以此來提高試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。試驗(yàn)時(shí),流量采用IFM4080K型電磁流量計(jì)測量,通過上游的流量調(diào)節(jié)閥控制流量,通過下游的閘門控制水深,水位采用JS-B型精密水位儀測量,流速采用小威龍Vertric+型流速儀測量。試驗(yàn)系統(tǒng)布置同文獻(xiàn)[9]。

2.2 試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)分別采用70 m3/s、90 m3/s和110 m3/s3種流速以及無擋板和N1擋板、N2擋板、N3擋板這4種情況兩兩組合為12個(gè)工況,每個(gè)工況水深均為12 cm。試驗(yàn)各斷面測點(diǎn)布置同文獻(xiàn)[9],即每個(gè)工況4個(gè)斷面,每個(gè)斷面有7條測線,每條測線布置5個(gè)測點(diǎn),共140個(gè)測點(diǎn)，見圖2。測量不同工況下各測點(diǎn)的三維瞬時(shí)流速及沖坑深度。將3種擋板形狀的測量結(jié)果與無擋板時(shí)的結(jié)果進(jìn)行比較,研究橋墩周圍時(shí)均流速的變化規(guī)律及擋板形狀對沖坑深度和橋墩局部沖刷的影響。

圖2 各斷面測點(diǎn)布置示意圖(單位：mm)

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 擋板形狀對沖坑深度的影響

環(huán)翼式擋板延伸長度為45 mm,擋板位置定在水深的1/3處,研究N1、N2、N3這3種擋板在不同流量下橋墩的最大沖刷深度。本試驗(yàn)測得的最大沖坑深度(也就是前文提及的最大沖刷深度),是自然演變沖刷、一般沖刷、局部沖刷疊加的結(jié)果,是沖坑最深處到最初沙床面的距離。

表1為不同流量、不同擋板形狀時(shí)的最大沖坑深度。由表1可以得出:①與無擋板相比,無論哪種形狀,有擋板時(shí)的最大沖坑深度都明顯減小。②當(dāng)流量為70 m3/h時(shí),3種擋板形狀下的最大沖坑深度與無擋板相比平均減小率為51.5%;當(dāng)流量為90 m3/h時(shí),與無擋板相比平均減小率為50.5%;當(dāng)流量為110 m3/h時(shí),與無擋板相比平均減小率為45.0%。③當(dāng)流量為70 m3/h、90 m3/h和110 m3/h時(shí),均是N1擋板的最大沖坑深度最小,表明N1擋板減小最大沖坑深度的效果最優(yōu)。④最大沖坑深度隨環(huán)翼式擋板側(cè)面延伸長度的減小而增大。 在實(shí)際工程中,為達(dá)到節(jié)省材料、減少投資的目的,可以僅在橋墩迎水面增加環(huán)翼式擋板。

表1 不同流量、不同擋板形狀時(shí)的最大沖坑深度

3.2 擋板形狀對流速分布的影響

橋梁建成后,除了河床的自然演變,橋墩干擾水流和泥沙運(yùn)動(dòng)引起的一般沖刷和局部沖刷交織在一起,沖刷過程非常復(fù)雜[11]。在橋墩上增加環(huán)翼式擋板之后,變化最大的就是橋墩附近水流的流速。因此,要了解環(huán)翼式橋墩減小最大沖刷深度的原因,必須分析橋墩附近水流的三維時(shí)均流速。本試驗(yàn)測得5個(gè)斷面的流速,這里僅分析流量為70 m3/h時(shí)2—2斷面的流速分布。

圖3～5分別為不同擋板形狀時(shí)的縱向、橫向、垂向時(shí)均流速分布。圖中測線位置零點(diǎn)為橋墩中心,縱向?yàn)轫標(biāo)鞣较?橫向?yàn)榇怪彼郾诜较?垂向?yàn)殂U垂方向。

由圖3可以看出:無論有無環(huán)翼式擋板,無論擋板是哪種形狀,縱向流速都呈深“V”形分布,都是以水槽軸線呈軸對稱分布,極大值都出現(xiàn)在水表面靠近水槽邊壁處,極小值都出現(xiàn)在水槽軸線靠近河床底部處,這是因?yàn)樗饔龅江h(huán)翼式擋板后被迫向兩側(cè)分流,而且環(huán)翼式擋板阻擋了下潛水流。

由圖4可以看出:①無論有無環(huán)翼式擋板,無論擋板是哪種形狀,橫向流速都近似呈左右相近的“V”形分布,都是以橋墩中心線呈中心對稱分布。②無擋板時(shí),極大值出現(xiàn)在水槽軸線近水表面處,極小值出現(xiàn)在2、6測線的靠近河床底部。加擋板后,極大值出現(xiàn)在靠近水槽軸線的兩條測線(3、5測線)的近水表面處,極小值出現(xiàn)在水槽邊壁的近水底部。③與無擋板相比,橫向流速極大值、極小值都有不同程度的減小,但變化不大。

圖3 不同擋板形狀時(shí)縱向時(shí)均流速分布

圖4 不同擋板形狀橫向時(shí)均流速分布

圖5 不同擋板形狀時(shí)垂向時(shí)均流速分布

由圖5可以看出:①無擋板時(shí),垂向流速呈寬倒“U”形分布,極小值出現(xiàn)在靠近水槽邊壁的水表面處,極大值出現(xiàn)在水槽軸線靠近河床底部。②增加擋板后,垂向流速在擋板所在水深即1/3水深處有拐點(diǎn),出現(xiàn)這個(gè)現(xiàn)象的原因是環(huán)翼式擋板阻擋下潛水流，導(dǎo)致垂向流速在擋板上聚集,所以垂向流速增大,但是靠近河床底部的垂向流速明顯減小,減小程度N3擋板最小，N1擋板最大。

3.3 紊動(dòng)強(qiáng)度分析

紊流是水流不穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)的一種狀態(tài),它們的位置、流速、形態(tài)都在時(shí)刻發(fā)生著變化。紊流的瞬時(shí)特性是不規(guī)則、無法描述的,但它的平均特性,如時(shí)間平均、空間平均、統(tǒng)計(jì)平均等卻遵循一定的規(guī)律[12]。某點(diǎn)上瞬時(shí)流速隨時(shí)間發(fā)生波動(dòng)的現(xiàn)象,就是流速的脈動(dòng)。紊動(dòng)強(qiáng)度是衡量水流所具有的紊動(dòng)能量的重要指標(biāo)[13]，用于表征脈動(dòng)幅度的大小，其表達(dá)式為

(1)

(2)

(3)

在試驗(yàn)過程中,觀察到水流的橫向紊動(dòng)強(qiáng)度變化比較小,所以只需研究縱向、垂向的紊動(dòng)強(qiáng)度。表2和表3分別為不同擋板形狀各測線水流的縱向紊動(dòng)強(qiáng)度和垂向紊動(dòng)強(qiáng)度。

表2 不同擋板形狀各測線水流的縱向紊動(dòng)強(qiáng)度

表3 不同擋板形狀各測線水流的垂向紊動(dòng)強(qiáng)度

由表2可知:①無論是否加環(huán)翼式擋板,靠近水槽邊壁的測線1水流的縱向紊動(dòng)強(qiáng)度基本都是隨著水深的增加逐漸減小,但是與無擋板相比,加擋板后測線1的縱向紊動(dòng)強(qiáng)度整體呈增大趨勢,這是因?yàn)樗魇艿江h(huán)翼式擋板阻擋后向兩邊擴(kuò)散,水流紊動(dòng)加強(qiáng)。②無論是否加擋板,測線2、3水流的縱向紊動(dòng)強(qiáng)度受測點(diǎn)高度與水深比值的影響都不大,唯有N3時(shí),測線2水流的縱向紊動(dòng)強(qiáng)度稍有增加。這是因?yàn)?與無擋板相比,水流被擋板阻擋后發(fā)生擴(kuò)散,測線2恰好位于水流擴(kuò)散區(qū), N1、N2、N3擋板都破壞了原來的水流方向與大小,但是隨后紊動(dòng)強(qiáng)度又都有不同程度的恢復(fù),N3恢復(fù)最小。③不加擋板時(shí),測線4水流的縱向紊動(dòng)強(qiáng)度隨著水深的增加一直減小;擋板形狀為N2、N3時(shí),在測點(diǎn)高度與水深比值為0.4處有極大值,原因是擋板位于1/3水深處,擋板阻擋下降水流,擋板處流速迅速增大,至測點(diǎn)高度與水深比值為0.4處,縱向紊動(dòng)強(qiáng)度增大到最大值。④除個(gè)別測點(diǎn)外,有擋板時(shí)測線4測點(diǎn)水流的縱向紊動(dòng)強(qiáng)度相比無擋板時(shí)呈增大趨勢。

由表3可知:①與無擋板相比,測線1、2近水表面處水流的垂向紊動(dòng)強(qiáng)度減小,測線3、4近水表面處水流的垂向紊動(dòng)強(qiáng)度增大,這說明橋墩近處垂向紊動(dòng)強(qiáng)度大。②從整體來看,擋板形狀為N1時(shí),僅測線1水流在近水表面處的垂向紊動(dòng)強(qiáng)度比較大,而其他兩種擋板形狀及無擋板的工況下,整體垂向紊動(dòng)強(qiáng)度浮動(dòng)較大,也就是說,擋板形狀為N1的水流比其他工況的水流平穩(wěn)。

4 結(jié) 語

環(huán)翼式擋板形狀為N1時(shí),最大沖刷深度最大可減小57.6%。增加擋板后,垂向流速在擋板所在處有拐點(diǎn)。擋板形狀為N1時(shí),測點(diǎn)高度與水深比值為0.4處縱向紊動(dòng)強(qiáng)度有極大值,整體垂向紊動(dòng)強(qiáng)度浮動(dòng)不大,水流比其他工況的水流更平穩(wěn)。分析最大沖坑深度、三維時(shí)均流速、縱向紊動(dòng)強(qiáng)度、垂向紊動(dòng)強(qiáng)度得出環(huán)翼式橋墩的最優(yōu)擋板形狀為N1。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王興奎,邵學(xué)軍,李丹勛.河流動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)[M].北京:中國水利水電出版社,2002.

[2] 李奇,王義剛,謝銳才.橋墩局部沖刷公式研究進(jìn)展[J].水利水電科技進(jìn)展,2009,29(2):85-88 (LI Qi, WANG Yigang, XIE Ruicai.The research development of the formulae of local scour around bridge piers[J].Advances in Science and Technology of Water Resources,2009,29(2):85-88.(in Chinese)

[3] 錢寧.泥沙手冊[M].北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社,1992.

[4] 蔣煥章.橋墩局部沖刷防護(hù)試驗(yàn)研究[J].公路,1994(9):1-8.(JIANG Huanzhang.Experimental research on protection of pier against local scour[J].Highway, 1994(9):1-8.(in Chinese)

[5] 徐國平.橋墩局部沖刷機(jī)理的探討[D].西安:西安公路交通大學(xué),1989.

[6] 高冬光.橋位設(shè)計(jì)[M].北京:人民交通出版社,1998.

[7] 房世龍,陳紅,王崗.橋墩局部沖刷防護(hù)工程特性研究綜述[J].水利水電科技進(jìn)展,2007,27(4):84-89.(FANG Shilong, CHEN Hong, WANG Gang.Properties of protection engineering against local scouring around piers[J].Advances in Science and Technology of Water Resources,2007,27(4):84-89.(in Chinese)

[8] 張萬鋒,文恒,牟獻(xiàn)友,等.環(huán)翼式橋(閘)墩防沖刷實(shí)驗(yàn)研究[J].內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版, 2011,32(3):226-229.(ZHANG Wanfeng, WEN Heng, MOU Xianyou,et al.Experimental research on scouring and protective of bridge pier(brake) with wing-ring baffles[J].Journal of Inner Mongolia Agricultural University: Natural Science Edition,2011,32(3):226-229.(in Chinese)

[9] 成蘭艷,牟獻(xiàn)友,文恒,等.環(huán)翼式橋墩局部沖刷防護(hù)試驗(yàn)[J].水利水電科技進(jìn)展,2012,32(3):14-18.(CHENG Lanyan,MOU Xianyou,WEN Heng,et al.Experimental research on protection of ring-wing pier against local scour[J].Advances in Science and Technology of Water Resources,2012,32(3):14-18.(in Chinese)

[10] 成蘭艷,郝拉柱,牟獻(xiàn)友,等.環(huán)翼式橋墩環(huán)翼式擋板最佳延伸長度試驗(yàn)[J].水利水電科技進(jìn)展,2013,33(2):32-36.(CHENG Lanyan,HAO Lazhu,MOU Xianyou,et al.Experimental research on optimal development lengths of ring-wing baffle of ring-wing pier[J].Advances in Science and Technology of Water Resources,2013,33(2):32-36.(in Chinese)

[11] 馬奎.橋墩局部沖刷機(jī)理分析及防護(hù)建議[J].中國高新技術(shù)企業(yè),2010,32(15):16-17.(MA Kui.The mechanism analysis and protecting recommendation of pier against local scour[J].China Hi-Tech Enterprises,2010,32(15):16-17.(in Chinese)

[12] 王興奎,邵學(xué)軍,李丹勛.河流動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)[M].北京:中國水利水電出版社,2002.

[13] 房世龍.局部沖刷坑形成影響橋墩附近流場特性的試驗(yàn)研究[J].水運(yùn)工程,2009(11):143-152.(FANG Shilong.Experiment study on the influence of local scour pit on flow field around piers[J].Port & Waterway Engineering,2009(11):143-152.(in Chinese)