透水框架在橋墩周?chē)姆雷o(hù)方法研究

透水框架在橋墩周?chē)姆雷o(hù)方法研究

目前，我國(guó)主要的措施是緩解拋石防護(hù)和民用織物壓力。其中拋石防護(hù)的技術(shù)要求較高、整體性較差、運(yùn)用中的維護(hù)費(fèi)用和工作量較大,特別是沙質(zhì)河床平順拋石的穩(wěn)定坡度必須滿(mǎn)足三個(gè)條件:①不小于河床土質(zhì)在飽和情況下的穩(wěn)定坡度;②不小于坡石在水流中的臨界休止角;③保證個(gè)別塊石在斜坡上不被水流沖動(dòng)。土工織布上加壓載方法,以其與地形適應(yīng)性好,整體性抗沖能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)被越來(lái)越多的采用。但是該方法的不足是,施工較為復(fù)雜,當(dāng)水下地形較陡時(shí),拋?zhàn)o(hù)效果不是很好。基于上述防護(hù)方法的不足,研究新型、有效、經(jīng)濟(jì)的防護(hù)方法來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的防護(hù)工程措施具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。四面體透水框架防護(hù)是路橋水毀防護(hù)工程中新型的防護(hù)型式,是為堤岸防護(hù)而研制的,在江西省長(zhǎng)江南岸和洲頭已試用成功。研究證明,四面體透水框架比傳統(tǒng)的實(shí)體材料經(jīng)濟(jì)實(shí)用,可以在床面上按需要布置移動(dòng),重復(fù)使用,又可以實(shí)現(xiàn)工廠(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn),對(duì)基腳的防護(hù)效果較好,而且投資少,施工方便。將這種透水框架布設(shè)在橋墩周?chē)鷺?gòu)成防護(hù)工程,當(dāng)含沙水流通過(guò)灘面上的框架群時(shí),可以降低流速,使泥沙落淤在灘面上。四面體透水框架拋投防護(hù)方法在護(hù)岸工程中進(jìn)行過(guò)試驗(yàn)研究,但關(guān)于橋墩附近四面體透水框架拋投防沖效果的研究還沒(méi)有。因此,本文針對(duì)四面體透水框架的防護(hù)特點(diǎn)通過(guò)河工水槽進(jìn)行了橋墩附近四面體框架拋投防沖效果的試驗(yàn)研究,得到了一些有價(jià)值的結(jié)論。1橋墩沖刷形成原因橋墩是一個(gè)阻水建筑物,從投建到使用,橋墩周?chē)乃鹘Y(jié)構(gòu)和沖刷發(fā)展過(guò)程一直是很有工程價(jià)值的問(wèn)題,已有的研究表明,橋墩周?chē)乃鹘Y(jié)構(gòu)主要包括墩前向下水流,墩前水面涌波和尺度很大的旋渦體系(其中包括在墩前沖刷坑邊緣形成的繞橋墩兩側(cè)流向下游的馬蹄形旋渦和橋墩兩側(cè)水流分離引起的尾流旋渦,如圖1所示)。橋墩迎水面的豎直對(duì)稱(chēng)軸上,水流的行進(jìn)流速為0,轉(zhuǎn)化為駐點(diǎn)壓力,駐點(diǎn)壓強(qiáng)為0.5ρV2(其中ρ為流體密度),流速沿垂線(xiàn)自水面向下減小,墩前向下的壓力梯度使水流向下流動(dòng),向下的流速沿水深變化,駐點(diǎn)壓力不僅引起水流向下流動(dòng),而且還導(dǎo)致出現(xiàn)橋墩兩側(cè)繞流的側(cè)向加速度。因此,引起橋墩沖刷的主要原因:一是由于橋墩阻水使得墩前局部水面雍高,從而產(chǎn)生垂向水流下切河床;二是由于橋墩阻水形成側(cè)向繞流產(chǎn)生馬蹄形旋渦淘刷兩側(cè)床面。根據(jù)模型試驗(yàn)資料可知,橋墩局部沖刷深度hb與橋墩上游來(lái)流流速V(以垂線(xiàn)平均流速表示)有關(guān)。當(dāng)流速V增大到一定數(shù)值時(shí),橋墩迎水面兩側(cè)的泥沙首先被沖走,局部沖刷坑開(kāi)始出現(xiàn),此時(shí)的V稱(chēng)為起沖流速V′0。當(dāng)V0>V>V′0(V0為起動(dòng)流速)時(shí)的沖刷條件稱(chēng)為清水沖刷。當(dāng)V增大到V>V0時(shí)的沖刷條件稱(chēng)為動(dòng)床沖刷。當(dāng)沖刷坑內(nèi)的泥沙補(bǔ)給率與輸出率趨于平衡時(shí),則沖刷趨向平衡沖刷深度即極限沖刷深度。根據(jù)下文分析可知,四面體框架群能夠遏制或減少旋渦形成,改變橋墩附近水流結(jié)構(gòu),從而達(dá)到防沖促淤的目的。2模型比尺及模型沙的選擇物理模型研究包括定床和動(dòng)床兩部分,考慮到橋墩沖刷主要為推移質(zhì)泥沙,所以物理模型設(shè)計(jì)中主要考慮推移質(zhì)輸沙相似。推移質(zhì)泥沙模擬設(shè)計(jì)按要求一般應(yīng)滿(mǎn)足幾何相似、水流和泥沙起動(dòng)相似及河床沖淤變形相似,本模型特別考慮以下因素:(1)模型應(yīng)做成正態(tài),即αL=αH(其中αL為模型平面比尺,αH為模型垂直比尺)。在變態(tài)模型內(nèi),垂線(xiàn)流速分布不相似。而對(duì)于橋墩沖刷問(wèn)題,垂線(xiàn)流速分布變化對(duì)沙粒的落淤有較大影響。(2)水流運(yùn)動(dòng)方面,由于模型模擬范圍較小,在確保橋位斷面各墩位處水位和流速與原型相似的前提下,忽略阻力相似條件。但為了保證水流的縱向和橫向運(yùn)動(dòng)相似,要求滿(mǎn)足佛汝德定律,即αV=αH1/2(其中αV為流速比尺,αH為模型垂直比尺)。(3)模型比尺與模型沙的選擇,根據(jù)贛江南昌河段生米大橋橋位附近的水流條件和河床質(zhì)條件進(jìn)行確定?？紤]到?jīng)_刷過(guò)程的粗化以及主橋區(qū)河床質(zhì)偏粗的特點(diǎn),取d50=0.5mm作為大橋橋位區(qū)域的河床質(zhì)中值粒徑。經(jīng)分析其濕沙容重γ′0=1.60t/m3,淤積干容重γ′=1.40t/m3。另外,在現(xiàn)有的護(hù)岸工程中,空心四面體框架一般是由6根長(zhǎng)1.2m、斷面0.1m×0.1m的混凝土桿件拼接而成的整體結(jié)構(gòu)。綜合以上因素并根據(jù)研究任務(wù)及試驗(yàn)條件的限制,模型幾何比尺選定為1∶60。試驗(yàn)采用長(zhǎng)30m、寬3m、深1.2m的矩形斷面水槽,分別模擬橋墩附近180m寬的河床,試驗(yàn)的有效段為中間的10m,前10m為進(jìn)口消力池和過(guò)渡段,后10m為過(guò)渡段和沉沙池及尾門(mén),流量由量水堰控制,水位由尾門(mén)控制,由測(cè)針讀數(shù)確定水位,在橋墩模型前面有流速儀測(cè)量水流行近流速,系統(tǒng)布置見(jiàn)圖2。選用中值粒徑d50=0.63mm的木屑作為模型沙,這種經(jīng)過(guò)防腐處理的模型沙經(jīng)實(shí)驗(yàn)分析得其密實(shí)干容重γs=1.15t/m3,濕沙容重γ′0=0.60t/m3,淤積干容重γ′=0.48t/m3,級(jí)配曲線(xiàn)見(jiàn)圖3。模型沙鋪在模型選用中中間10m的動(dòng)床有效段內(nèi),厚30cm。試驗(yàn)采用連續(xù)拋投四面體框架形式,拋投區(qū)間為無(wú)防護(hù)沖刷時(shí)沖刷坑范圍,如圖4所示。沖刷歷時(shí)3h達(dá)到平衡,沖刷完成后用水準(zhǔn)儀進(jìn)行地形測(cè)量。試驗(yàn)采用循環(huán)水系統(tǒng),由矩形薄壁量水堰監(jiān)測(cè)流量,而且滿(mǎn)足矩形薄壁堰測(cè)量的流量與水槽斷面實(shí)測(cè)流量的相對(duì)誤差小于3%。試驗(yàn)所采用的圓頭矩形柱墩的尺寸如圖4所示,采用如圖5所示尺寸的四面體框架。3局部沖刷坑深度t為了比較和檢驗(yàn)?zāi)Ｐ驮囼?yàn)的成果,特采用我國(guó)鐵道部科學(xué)研究院推薦的65-1改進(jìn)公式,對(duì)上述橋墩墩前沖刷坑的深度進(jìn)行了計(jì)算,計(jì)算條件是床面有輸沙(渾水沖刷),具體計(jì)算公式(65-1改進(jìn)公式)如下:hs=κξ?κη1B0.6(V0?V′0)(V?V′0V0?V′0)n(1)hs=κξ?κη1B0.6(V0-V′0)(V-V′0V0-V′0)n(1)式中hs為橋墩局部沖刷坑最大深度,m;κξ為墩形系數(shù),查墩形系數(shù)表得κξ=0.98;κη1為系數(shù),κη1=0.8(1d0.45+1d0.15)；κη1=0.8(1d0.45+1d0.15)；V0為河床泥沙起動(dòng)流速,按沙莫夫公式V0=4.6d13h16V0=4.6d13h16計(jì)算;V′0為墩側(cè)河床泥沙起沖流速,V′0=0.462(dB)0.06V0V′0=0.462(dB)0.06V0;n為指數(shù),n=(V′0/V0)0.25d0.19;B、d、h分別為墩寬、泥沙粒徑、水深。經(jīng)計(jì)算,當(dāng)主橋墩縱軸線(xiàn)走向與行近水流方向一致、行近水流深度為0.212m、行近流速為0.219m/s時(shí),無(wú)防護(hù)措施的最大沖刷深度為11.2cm。4面體框架尺寸所謂的“四面體透水框架拋投防護(hù)方法”就是模擬拋石防護(hù)方法,用由六根規(guī)定尺寸的混凝土桿件構(gòu)成的正四面體框架代替石料,進(jìn)行拋投防護(hù)的方法?？紤]到試驗(yàn)水槽較寬,水深較大,框架本身尺度和堆放范圍較小,框架透水能力較強(qiáng),而且經(jīng)計(jì)算滿(mǎn)足框架群在過(guò)流斷面上的投影與過(guò)流斷面的最大比值小于2%,故忽略框架堆放高度對(duì)橋墩段的過(guò)水面積和水位流量的影響。為了研究所拋投的四面體框架的數(shù)量,相對(duì)于橋墩的位置,以及四面體框架堆高對(duì)沖刷坑形態(tài)的影響,采用相同的穩(wěn)定流速和水深,分別進(jìn)行了4組模型試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。4.1面體透水框架群由試驗(yàn)觀(guān)測(cè)可知:①在無(wú)任何周邊防護(hù)措施時(shí),沖刷坑的深度最大達(dá)到12.9cm,沖刷范圍最廣(見(jiàn)圖6(a))。②當(dāng)在橋墩周?chē)?0cm范圍內(nèi)投放1～2層,10～20cm范圍內(nèi)投放1層共計(jì)1000個(gè)四面透水體透水框架時(shí),模型主槽水面流速約為21.0～22.3cm/s,框架群內(nèi)的流速10.1m/s,明顯小于主槽流速。隨著放水時(shí)間的延續(xù),框架群內(nèi)的泥沙淤積面逐漸抬高,形成較明顯的灘地。放水歷時(shí)2小時(shí)10分時(shí),泥沙淤積面已全部覆蓋四面體透水框架群。停水后觀(guān)測(cè)到,四面體透水框架在水流的沖擊下,除了最上游的少量框架受水流頂沖發(fā)生位移外,其它部位的框架仍保持原來(lái)擺放的位置。由此可見(jiàn),受框架群的影響,泥沙淤積速度很快,落淤的泥沙對(duì)框架也起到了固定作用。沖刷坑最大深度與原始床面高差為-3.2cm,沖刷范圍也隨之減小到(見(jiàn)圖6(b))。③當(dāng)在橋墩周?chē)?0cm處投放2～3層,10～20cm范圍內(nèi)1層共計(jì)1400個(gè)四面體透水框架時(shí),模型主槽水面流速約為21.2～22.5cm/s,框架群內(nèi)的流速9.7m/s,明顯小于主槽流速。水流在穿過(guò)布置有框架的防護(hù)段時(shí),流速受阻而減弱,水流平穩(wěn),泥沙落淤并形成灘地。隨著放水時(shí)間的持續(xù),防護(hù)段內(nèi)的地形逐漸淤高,放水歷時(shí)1小時(shí)50分時(shí),大部分淤積灘地已埋沒(méi)框架群,停水后觀(guān)察,橋墩迎水面處的框架已被全部埋沒(méi)。實(shí)測(cè)淤積處灘地與原始床面的最大高差為2.2cm,(見(jiàn)圖6(c))。④當(dāng)在橋墩周?chē)?0cm處投放3～4層,10～20cm范圍內(nèi)1層共計(jì)2000個(gè)框架時(shí),主槽水面流速約為21.5～22.3cm/s,框架群內(nèi)的流速8.3m/s。放水歷時(shí)1小時(shí)40分時(shí),大部分淤積灘地已埋沒(méi)四面體框架,停水后觀(guān)察,無(wú)沖刷坑出現(xiàn),同時(shí)在四面體框架拋投范圍內(nèi),出現(xiàn)更大程度的泥沙淤積,實(shí)測(cè)淤積處灘地與原始床面最大高差為3.3cm,(見(jiàn)圖6(d))。4.2面體透水框架群加速淤防沖技術(shù)以上試驗(yàn)成果表明:①橋墩局部沖刷首先從墩頭兩側(cè)開(kāi)始的,然后沖刷坑深度逐漸增加,沖刷坑的范圍逐漸變大。由于沖刷坑的出現(xiàn),水流在沖刷坑上游邊緣發(fā)生分離,進(jìn)而在墩前沖刷坑邊緣形成繞橋墩兩側(cè)流向下游的馬蹄形旋渦,馬蹄形旋渦沿橋墩向下游發(fā)展并逐漸衰變?yōu)樗鞯奈蓜?dòng)。因?yàn)槲擦餍郎u能使上游來(lái)沙落淤在橋墩尾部,而且淤積量比較大,故沒(méi)有對(duì)墩尾附近的床面進(jìn)行防護(hù)(見(jiàn)圖4)。②橋墩局部沖刷深度hb與上游來(lái)流流速V(以垂線(xiàn)平均流速表示)有關(guān),減小墩前行進(jìn)流速能夠減小沖刷坑的深度。四面體框架群即有較強(qiáng)的透水性又有一定的阻水能力,通過(guò)在框架群內(nèi)設(shè)置流速井測(cè)得所拋投的四面體透水框架群能減小墩前行進(jìn)流速達(dá)40%～60%,這樣墩前行進(jìn)流速V不能夠增大到一定數(shù)值,使得水流在橋墩周?chē)睦@流有所減緩,從而使得橋墩墩頭迎水面處的行進(jìn)流速和流向的變化就不那么劇烈了,在墩前形成的繞橋墩兩側(cè)流向下游的馬蹄形旋渦的強(qiáng)度也減弱了。破壞了局部沖刷坑生成的水流條件。③四面體透水框架群使原來(lái)順直流動(dòng)的水流受到橋墩阻擋產(chǎn)生的水面雍高減小,很大程度上抑制了垂向流動(dòng)的產(chǎn)生。因而水流對(duì)橋墩周?chē)拇裁娈a(chǎn)生的下切淘刷力也有所減弱,保證了橋墩迎水面兩側(cè)床面上的泥沙不被沖走,從而抑制了局部沖刷坑的出現(xiàn)。④由三組防護(hù)試驗(yàn)證明,四面體透水框架群減速促淤防沖效果,除了與水沙條件等有關(guān)外,還與所拋投的四面體框架的數(shù)量、布設(shè)的疏密程度和防護(hù)的范圍有關(guān)。拋投的四面體框架的數(shù)量越多,布設(shè)密度越大,效果越明顯。特別是在無(wú)防護(hù)沖刷時(shí)的沖刷范圍內(nèi)進(jìn)行拋投時(shí),防護(hù)效果顯著。⑤工程中,空心四面體框架一般由6根長(zhǎng)1m、斷面0.1m×0.1m的混凝土桿件拼接而成的整體結(jié)構(gòu),單個(gè)的四面體透水框架重心較低,重量大,具有良好的