CN104596735B - 一种桥梁群的优化布置方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种桥梁群的优化布置方法，其特征在于，通过水槽模型试验获得所述优化布置所需临界条件；所述水槽模型试验在一个变坡循环玻璃水槽（1）中进行；步骤一：进行单墩柱试验，验证试验系统的可靠性；步骤二：在双墩柱情况下按照不同墩间距进行试验；步骤三：在所述步骤一和二中分别观测单墩柱和上下游墩柱的局部冲刷特性；步骤四：通过分析，得出所述优化布置方法所需临界条件即双墩互不影响的临界条件：。本发明确定了上下游桥墩冲刷互不影响的临界条件，对桥梁群的优化布置具有普遍性的指导意义，方法简单易行，有助于降低工程成本和降低桥梁群的累积影响，从而减轻桥墩冲刷破坏及城市防洪等的压力。

Description

一种桥梁群的优化布置方法

技术领域

本发明属于涉河工程技术领域，涉及桥梁的布置方法，具体涉及一种桥梁群的优化布置方法。

背景技术

天然河道中桥梁的兴建必然导致桥墩附近水沙状况的变化。墩前向下水流、墩侧马蹄涡及墩后尾涡等水流结构的出现，使墩柱周围床面出现相应调整从而形成冲刷坑，危及建筑物自身的稳定和安全，并影响桥位河段的河床演变，因此桥墩冲刷问题在工程实践中受到普遍的重视。随着社会经济的发展，河流上的桥梁数量不断增多，在城市河段更为密集，使得在水沙特性变化的问题上，桥梁之间的累积影响日益凸显，对城市防洪安全、航运问题、桥梁自身安全等都形成新的威胁。目前，对于桥墩冲刷问题，工程技术实践中往往仅考虑单个桥墩或单座桥梁，而未对桥梁群(沿河流方向多座桥梁)的相互之间的累积效应进行研究，从而无法合理地优化布置上下游桥梁。

发明内容

本发明提出的一种桥梁群的优化布置方法，其技术目的在于确定上下游相邻桥梁之间在桥墩冲刷方面互不影响的临界条件，合理规划和优化布置桥梁群，以减少或消除上下游桥梁相互之间桥墩冲刷的累积效应。

为实现上述技术目的，本发明的技术方案为：

一种桥梁群的优化布置方法，其特征在于，通过水槽模型试验获得所述优化布置方法所需临界条件；所述水槽模型试验在一个变坡循环玻璃水槽中进行；所述方法步骤为：

步骤一：进行单墩柱试验，验证试验系统的可靠性；

步骤二：在双墩柱情况下按照不同双墩柱间距进行试验；

步骤三：在所述步骤一和二中分别观测单墩柱和上下游墩柱的局部冲刷特性；

步骤四：通过分析，得出所述优化布置方法所需临界条件即双墩局部冲刷互不影响的临界条件：d≈27b。其中，d为墩柱间距，b为墩柱杆径。

所述的水槽模型试验在以下条件下进行：

在长24m、宽0.5m、高0.7m的变坡循环玻璃水槽内进行，试验段设置在水槽中部长6m的范围内；

采用光滑透明的圆柱形有机玻璃管柱模拟桥梁墩柱；所述的有机玻璃管柱高70cm，墩柱杆径b＝3cm，外壁标尺最小刻度为1mm；

试验床面采用粒径为D＝0.58cm、密度为ρ_s＝2.65g/cm³的天然均匀沙平铺10cm而成，每次试验前床面均重新铺平；

试验时保持水深h＝20cm的恒定均匀流，流量Q用超声波流量计进行测定，测量误差小于5％，流速采用声波多普勒流速仪(ADV)进行测量，获取来流垂线平均流速U；

所述墩柱间距d选取0、1、2、3、4倍有机玻璃管柱外径。

所述步骤一中，进行单墩柱试验，验证试验系统可靠性的具体过程是：通过试验结果，将单一墩柱下的冲刷特性与Hanco公式相比较，确认与其吻合良好：

其中，d_s为冲刷坑深度，d_sm是U_c条件下对应的冲坑深度，d_sm通过式(2)计算：

U为来流垂线平均流速，U_c为传统定义的清水冲刷到动床冲刷的临界值，即泥沙起动流速，此处采用沙莫夫公式进行计算，如式(3)：

其中，b为墩柱杆径，h为水深，D为泥沙粒径，γ_s为泥沙重度，γ为水的重度，g为重力加速度；本发明对应试验工况下的泥沙起动流速U_c＝29.25cm/s。

所述步骤二和三中，在双墩柱情况下按照不同双墩柱间距进行试验，每种双墩柱间距条件下进行试验组次至少不少于8组；所述的每组试验持续冲刷至少不少于10个小时，认为冲刷达到平衡；形成冲刷坑后，通过有机玻璃管柱上的标尺对冲刷坑深度进行测量。

所述步骤四中，通过以下分析，得出双墩互不影响的临界条件：

对于上游墩柱，在一定条件下，墩柱间距d越小上游墩柱周围越容易冲刷，但其冲坑深度与双墩柱间距并非单一正相关关系；当d≥4b时，上游冲刷坑深度与单一墩柱冲刷坑深度规律基本吻合，此时，下游墩柱对上游墩柱冲刷的影响可以忽略；

由于上游墩柱的存在，下游墩柱的局部冲刷特性与单一墩柱明显不同：对于一定的双墩柱间距，当流速增加到某一值U_m时，双墩冲刷规律开始异化，U_m称为异化流速，其与墩柱间距呈线性关系，如式(4)；当流速小于U_m时，上下游两墩冲刷规律基本一致，此时可认为上下游桥墩冲刷不存在叠加效应：

U_m/U_c＝0.0187d/b+0.5 (4)

令U_m＝U_c可得d≈27b，则在d≥27b的条件下，流速达到泥沙起动流速前，两个墩柱的冲刷特性相同且都符合单一墩柱冲刷特性，而流速超过泥沙起动流速后，整个床面即进入动床冲刷阶段，因此可将d≈27b作为上下游墩柱冲刷互不影响的临界条件。

相比现有技术，本发明的优点和有益效果为：

1.通过水槽试验模拟不同双墩柱间距条件下上下游墩柱局部冲刷特性，确定了上下游桥墩冲刷互不影响的临界条件，对于河流上日益增多的桥梁的合理规划布置提供了参考依据，有助于降低桥梁群的累积影响，从而减轻桥墩冲刷破坏及城市防洪等方面的压力。

2.所述方法简单易行，有助于降低成本，对桥梁群的优化布置具有普遍性的指导意义。

附图说明

图1是本发明所述一种桥梁群的优化布置方法的流程图。

图2a、图2b分别是本发明所述方法中采用的玻璃水槽试验段的俯视图、正视图。图中，1水槽，2有机玻璃管柱，3床面，4渐变导板，5挡板。

图3是本发明所述方法的单个墩柱和双墩柱间距为0情况下的桥墩冲刷特性。

图4是本发明所述方法的不同墩柱间距条件下上游桥墩冲刷特性。

图5是本发明所述方法的上下游墩柱冲坑深度相同时流速与双墩柱间距的关系。

图6是本发明所述方法的不同墩柱间距条件下下游桥墩冲刷特性。其中，墩柱间距d取值分别为：d＝3,d＝6,d＝9,d＝12。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步说明。

本发明针对河流中桥梁群(沿河流方向多座桥梁)的布置(桥梁间距及桥墩柱间距)进行优化改进，目标在于确定一个桥梁间距临界值，使得当桥梁间距大于此临界值时，桥梁之间的桥墩冲刷互不影响即不存在累积影响，从而冲刷规律可按照常规单座桥梁进行考虑。

本发明所述方法通过水槽模型试验获得所述优化布置方法所需临界条件。如图2所示，其水槽模型试验在一个变坡循环玻璃水槽中进行，首先通过单墩柱试验验证试验系统的可靠性，然后对双墩柱情况按照不同墩柱间距进行试验，分别观测上下游墩柱周围床面的冲刷情况，分析双墩互不影响的临界条件。

本发明所述方法的具体实施方式如下：

一种桥梁群的优化布置方法，其特征在于，通过水槽模型试验获得所述优化布置所需临界条件；所述水槽模型试验在一个变坡循环玻璃水槽(1)中进行；所述方法步骤为：

步骤一：进行单墩柱试验，验证试验系统的可靠性；

步骤二：在双墩柱情况下按照不同墩柱间距进行试验；

步骤三：在所述步骤一和二中分别观测单墩柱和上下游墩柱的局部冲刷特性；

步骤四：通过分析，得出所述优化布置方法所需临界条件即双墩局部冲刷互不影响的临界条件：d≈27b。d为墩柱间距，由图2b所示，d是指相邻两墩柱相近两侧面之间的距离；b为墩柱杆径。

所述的水槽模型试验在以下条件下进行：

在长24m、宽0.5m、高0.7m的变坡循环玻璃水槽(1)内进行，试验段设置在水槽(1)中部长6m的范围内；

采用光滑透明的圆柱形有机玻璃管柱(2)模拟桥梁墩柱；所述的有机玻璃管柱(2)高70cm，外径b＝3cm，外壁标尺最小刻度为1mm；

试验床面(3)采用粒径为D＝0.58cm的天然均匀沙平铺10cm而成，密度为ρ_s＝2.65g/cm³，每次试验前床面(3)均重新铺平；

试验时保持水深h＝20cm的恒定均匀流，流量Q用超声波流量计进行测定，测量误差小于5％，流速采用声波多普勒流速仪(ADV)进行测量，获取垂线平均流速U；

所述墩柱间距d选取0、1、2、3、4倍有机玻璃管柱(2)外径，具体工况条件及试验结果如表1所示。所述墩柱间距d选取0时，是指相邻两墩柱相互紧靠的情况。

所述步骤一中，进行单墩柱试验，验证试验系统可靠性的具体过程是：通过试验结果，将单一墩柱下的冲刷特性与Hanco公式相比较，确认与其吻合良好：

其中，d_s为冲刷坑深度，d_sm是U_c条件下对应的冲坑深度，d_sm通过式(2)计算：

U为来流垂线平均流速，U_c为传统定义的清水冲刷到动床冲刷的临界值，即泥沙起动流速，此处采用沙莫夫公式进行计算，如式(3)：

其中，b为墩柱杆径，h为水深，D为泥沙粒径，γ_s为泥沙重度，γ为水的重度，g为重力加速度；本发明对应试验工况下的泥沙起动流速U_c＝29.25cm/s。

所述步骤二和三中，在双墩柱情况下按照不同墩柱间距进行试验，每种双墩柱间距条件下进行试验组次至少不少于8组；所述的每组试验持续冲刷至少不少于10个小时，认为冲刷达到平衡；形成冲刷坑后，通过有机玻璃管柱(2)上的标尺对冲刷坑深度进行测量。为防止试验初期水流破坏床面的平整形态，在试验开始前通过水泵预先向水槽内缓慢注入小流量水体，达到润湿泥沙并保护床面初始形态的目的。

所述步骤四中，通过以下分析，得出双墩互不影响的临界条件：

通过图4可以看出，对于上游墩柱，在一定条件下，墩柱间距d越小上游墩柱周围越容易冲刷，但其冲坑深度与双墩柱间距并非单一正相关关系；当d≥4b时，上游冲刷坑深度与单一墩柱冲刷坑深度规律基本吻合，此时，下游墩柱对上游墩柱冲刷的影响可以忽略；

由于上游墩柱的存在，下游墩柱的局部冲刷特性与单一墩柱明显不同，如图6所示：对于一定的双墩柱间距，当流速增加到某一值U_m时，双墩冲刷规律开始异化，U_m称为异化流速，其与墩柱间距呈线性关系，如式(4)；当流速小于U_m时，上下游两墩冲刷规律基本一致，此时可认为上下游桥墩冲刷不存在叠加效应：

U_m/U_c＝0.0187d/b+0.5 (4)

令U_m＝U_c可得d≈27b，则在d≥27b的条件下，流速达到泥沙起动流速前，两个墩柱的冲刷特性相同且都符合单一墩柱冲刷特性，而流速超过泥沙起动流速后，整个床面即进入动床冲刷阶段，因此可将d≈27b作为上下游墩柱冲刷互不影响的临界条件。

表1 试验工况条件及试验结果

Claims (4)

1.一种桥梁群的优化布置方法，其特征在于，通过水槽模型试验获得所述优化布置方法所需临界条件；所述水槽模型试验在一个变坡循环玻璃水槽(1)中进行；所述方法步骤为：

步骤一：进行单墩柱试验，验证试验系统的可靠性；

步骤二：在双墩柱情况下按照不同墩柱间距进行试验；

步骤三：在所述步骤一和二中分别观测单墩柱和上下游墩柱的局部冲刷特性；

步骤四：通过分析，得出所述优化布置方法所需临界条件即双墩柱局部冲刷互不影响的临界条件：d≈27b；

通过以下分析，得出双墩柱互不影响的临界条件：

对于上游墩柱，在一定条件下，墩柱间距d越小上游墩柱周围越容易冲刷，但其冲坑深度与双墩柱间距并非单一正相关关系；当d≥4b时，上游冲刷坑深度与单一墩柱冲刷坑深度规律基本吻合，此时，下游墩柱对上游墩柱冲刷的影响可以忽略；

由于上游墩柱的存在，下游墩柱的局部冲刷特性与单一墩柱明显不同：对于一定的双墩柱间距，当流速增加到某一值U_m时，双墩柱冲刷规律开始异化，U_m称为异化流速，其与墩柱间距呈线性关系，如式(1)；当流速小于U_m时，上下游两墩柱冲刷规律基本一致，此时可认为上下游桥墩冲刷不存在叠加效应：

U_m/U_c＝0.0187d/b+0.5 (1)

其中U_c为泥沙起动流速，d为墩柱间距，b为墩柱杆径；令U_m＝U_c可得d≈27b，则在d≥27b的条件下，流速达到泥沙起动流速前，两个墩柱的冲刷特性相同且都符合单一墩柱冲刷特性，而流速超过泥沙起动流速后，整个床面即进入动床冲刷阶段，因此可将d≈27b作为上下游墩柱冲刷互不影响的临界条件。

2.根据权利要求1所述的一种桥梁群的优化布置方法，其特征在于，所述的水槽模型试验在以下条件下进行：

在长24m、宽0.5m、高0.7m的变坡循环玻璃水槽(1)内进行，试验段设置在变坡循环玻璃水槽(1)中部长6m的范围内；

采用光滑透明的圆柱形有机玻璃管柱(2)模拟桥梁墩柱；所述的有机玻璃管柱(2)高70cm，墩柱杆径b＝3cm，外壁标尺最小刻度为1mm；

试验床面(3)采用粒径为D＝0.58cm、密度为ρ_s＝2.65g/cm³的天然均匀沙平铺10cm而成，每次试验前床面(3)均重新铺平；

试验时保持水深h＝20cm的恒定均匀流，流量Q用超声波流量计进行测定，测量误差小于5％，流速采用声波多普勒流速仪进行测量，获取来流垂线平均流速U；

所述墩柱间距d选取0、1、2、3、4倍有机玻璃管柱(2)外径。

3.根据权利要求1或2所述的一种桥梁群的优化布置方法，其特征在于，所述水槽模型试验，首先进行单墩柱试验，验证试验系统可靠性，具体过程是：通过所述的单墩柱试验结果，将单一墩柱的冲刷特性与Hanco公式相比较，确认与其吻合良好：

$\frac{d_s}{d_{sm}}=2\frac{U}{U_C}-1---\left(2\right)$

其中，d_s为冲刷坑深度，d_sm是U_c条件下对应的冲坑深度，d_sm通过式(3)计算：

$\frac{d_{sm}}{b}=3.3{\left(\frac{h}{b}\right)}^{0.2}{\left(\frac{D}{b}\right)}^{0.13}---\left(3\right)$

U为来流垂线平均流速，U_c为传统定义的清水冲刷到动床冲刷的临界值，即泥沙起动流速，此处采用沙莫夫公式进行计算，如式(4)：

$U_c=1.14\sqrt{\frac{{\mathrm{\γ}}_s-\mathrm{\γ}}{\mathrm{\γ}}gD}{\left(\frac{h}{D}\right)}^{1/6}---\left(4\right)$

其中，b为墩柱杆径，h为水深，D为泥沙粒径，γ_s为泥沙重度，γ为水的重度，g为重力加速度；对应试验工况下的泥沙起动流速U_c＝29.25cm/s。

4.根据权利要求1或2所述的一种桥梁群的优化布置方法，其特征在于，在双墩柱情况下按照不同墩柱间距进行试验，每种双墩柱间距条件下进行试验组次至少不少于8组；所述的每组试验持续冲刷至少不少于10个小时，认为冲刷达到平衡；形成冲刷坑后，通过有机玻璃管柱(2)上的标尺对冲刷坑深度进行测量。