CN110926995A - 一种并线桥墩局部冲刷物理模型试验方法 - Google Patents

一种并线桥墩局部冲刷物理模型试验方法 Download PDF

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田勇
孙一
顾志刚
侯佼建
马静
伊晓燕
侯志军
潘淼
王磊
徐丹
马红亮
许琳娟
辛长青
许亮
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Abstract

本发明公开了一种并线桥墩局部冲刷物理模型试验方法，根据研究区域的河情河势构建并线桥墩局部冲刷物理模型，取研究区域水流流向与桥墩纵轴线所允许的最大斜交角度θ'max和天然河道水流流向变化范围及其与桥墩纵轴线理论的最大斜交角度θ'max中的最大值为试验设计最大夹角θmax，以水流方向与桥墩纵轴线夹角为θj(1≤j≤n)的布置方式并线桥墩实物模型，进行局部冲刷试验，测量不同组次试验水槽沿程水位、桥墩周围流速分布以及冲刷坑形态，统计上游桥和下游桥各个桥墩的冲刷深度值，并对比选取不同组次最大值为局部冲刷深度值。本发明解决复杂条件下，并线桥墩局部冲刷难以准确模拟计算的不足，测得的桥墩冲刷深度值也更加准确。

Description

一种并线桥墩局部冲刷物理模型试验方法
技术领域
本发明涉及水利量测方法，尤其涉及一种并线桥墩局部冲刷物理模型试验方法。
背景技术
桥梁桥墩的冲刷会对河道形态变化、防洪工程安全以及桥梁安全等产生重要影响，是桥渡等涉河建筑工程设计的重要参数之一。桥墩冲刷一般分为自然冲刷、一般冲刷和局部冲刷，其中局部冲刷是桥墩冲刷中最为重要的冲刷参数。桥墩局部冲刷指的是由于桥墩的阻碍，水流在桥墩周围产生强烈涡流而引起的冲刷，受水流状态、桥墩墩形、床沙组成、河床形态等因素共同影响。
目前，桥墩局部冲刷计算方法主要有经验公式、半经验公式、数值模拟、物理模型试验等，其中物理模型试验方法是根据相似理论拟定模型比尺，按比尺建造实物模型进行桥墩冲刷模拟试验。该方法可以直接观察到试验现象，并能实时测量试验过程的水力参数及河床变形，对于具体的生产实际问题，针对性较强。
在跨河桥梁规划建设时，由于沿河桥位资源限制，通常选择在原有桥梁的上、下游再新建一座桥梁，形成并线桥梁。而并线桥梁距离很近，新桥、老桥的桥墩之间相互影响，冲刷作用机制较为复杂，公式计算、数值模拟等方法往往无能为力，需要借助物理模型水槽试验等技术手段。
现有并线桥墩局部冲刷物理模型试验方法的技术方案概述如下：
步骤一，针对研究内容，按照相似理论要求，确定水槽模型的几何、流速、糙率、时间等比尺，设计制作试验水槽及配套支持设备，并利用历史资料验证其合理性。
步骤二，采用水流方向与桥墩纵轴线一致的布置方式，将并线桥墩实物模型按照特定间距置于水槽中，进行局部冲刷试验。
步骤三，测量试验水槽沿程水位、桥墩周围流速分布以及冲刷坑深形态，统计新桥、老桥各个桥墩的冲刷深度值hi(1≤i≤m)，其中i为试验桥墩编号，m为试验桥墩数目。
受认知能力和认识水平限制，现有并线桥墩局部冲刷物理模型试验方法在方案布设时，大都只考虑水流流向与桥墩纵轴线一致的模式。然而，经本发明人考察研究发现，实际中由于河流形态、路网规划及河流两岸地形等因素影响，桥梁的布置常常与水流流向呈现一定夹角，且在游荡多变的天然河流上，水流流向的不断改变也会形成桥梁桥墩斜向冲刷，阻水及冲刷效应发生明显变化，尤其体现在冲刷坑深度及形态两方面。因此，现有模型试验具有很大片面性和局限性，求得的冲刷深度值也不合理，从而影响桥渡等涉河建筑工程的安全。
发明内容
本发明的目的，旨在解决复杂条件下，并线桥墩局部冲刷难以准确模拟计算的不足，提供一种并线桥墩局部冲刷物理模型试验方法。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种并线桥墩局部冲刷物理模型试验方法，包括以下步骤：
(1)根据研究区域的河情河势构建并线桥墩局部冲刷物理模型的水槽及配套支持设备；
(2)确定研究区域水流流向与桥墩纵轴线所允许的最大斜交角度θ'max，根据研究区域河情河势，分析得到天然河道水流流向变化范围及其与桥墩纵轴线理论的最大斜交角度θ″max；取以上两者的最大值为试验设计最大夹角θmax，即θmax＝Max(θ'max,θ″max)；
(3)将并线桥墩实物模型按照设定的间距置于水槽中，以水流方向与桥墩纵轴线夹角为θj(1≤j≤n)的布置方式，进行局部冲刷试验，其中θ1＝0，θn＝θmax，且满足
Figure BDA0002350576430000021
j为试验组次序号，n为试验组次数目；
(4)测量不同组次试验水槽沿程水位、桥墩周围流速分布以及冲刷坑形态，统计线桥墩实物模型的上游桥和下游桥各个桥墩的冲刷深度值
Figure BDA0002350576430000022
并对比选取不同组次的最大值为局部冲刷深度值，即
Figure BDA0002350576430000023
所述步骤(1)中，对研究区域的河情河势进行调研，按照相似理论，确定并线桥墩局部冲刷物理模型的水槽的几何、流速、糙率和时间等比尺，设计制作水槽及配套支持设备，并利用历史资料验证其合理性。配套支持设备包括水库、水泵、前池和退水渠等。利用历史资料验证其合理性，即查阅历史记载的桥墩冲刷过程观测资料，主要包括墩前水深、冲深随时间的变化过程，将其作为模型验证资料，根据确定的比尺设计制作桥墩等，开展物理模型冲刷试验，记录墩前水深、冲深变化过程，并与历史观测数据进行对比，若变化数值及过程线基本一致，则认为模型水槽合理。
所述步骤(2)中，可查阅国家、区域/流域相关技术规范和技术标准来确定研究区域水流流向与桥墩纵轴线所允许的最大斜交角度θ'max。即查阅相关技术规范和标准，如《内河通航标准》和《公路桥涵设计通用规范》规定桥梁轴线的法线方向与水流流向的交角不宜超过5°；《铁路工程水文勘测设计规范》规定桥梁轴线宜与中、高水位时的流向正交；《黄河河道管理范围内建设项目技术审查标准》(试行)规定桥墩设置以尽量减小对河道主流变化的影响为原则；桥梁轴线的法线方向应与洪水主流流向基本一致等等。此外，还需兼顾桥梁所属区域的相关规定与规划。综合上述查阅情况和区域的规划从而确定最大斜交角度θ'max。
所述步骤(2)中，θmax＝Max(θ'max,θ″max)的角度大于0度小于90度。
所述步骤(3)中，调整并线桥墩模型的上游桥模型和下游桥模型的桥墩间距、桥跨间距，以及水流流向与桥墩纵轴线夹角，模拟不同水流流向对桥墩局部冲刷情况。与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明提供的并线桥墩局部冲刷物理模型试验方法，选择研究区域水流流向与桥墩纵轴线所允许的最大斜交角度θ'max和天然河道水流流向变化范围及其与桥墩纵轴线理论的最大斜交角度θ″max中的最大值为试验设计最大夹角θmax，然后以水流方向与桥墩纵轴线夹角为θj(1≤j≤n)的布置方式，水流流向与桥墩纵轴线所允许的最大斜交角度从θ1＝0起至θn＝θmax，进行多组试验，测量不同组次试验水槽沿程水位、桥墩周围流速分布以及冲刷坑形态，获得上游桥和下游桥各个桥墩的冲刷深度值
Figure BDA0002350576430000031
并对比选取不同组次的最大值为局部冲刷深度值，即
Figure BDA0002350576430000032
由于考虑了水流流向与并线桥梁桥墩斜交的复杂工况，全面模拟不同水流流向对桥墩局部冲刷情况，使得模型试验更加全面，测得的桥墩冲刷深度值也更加准确，为桥渡等涉河建筑工程设计提供更为全面准确的参考。
附图说明
图1是实施例使用的并线桥墩局部冲刷物理模型的水槽及配套设备的结构示意图。
图2是实施例的并线桥墩局部冲刷物理模型的并线桥墩布置示意图。
具体实施方式
(1)根据研究区域的河情河势构建并线桥墩局部冲刷物理模型。对研究区域的河情河势进行调研，按照相似理论，确定并线桥墩局部冲刷物理模型的水槽的几何、流速、糙率和时间等比尺，设计制作水槽及配套支持设备，并利用历史资料验证其合理性。即查阅历史记载的桥墩冲刷过程观测资料，主要包括墩前水深、冲深随时间的变化过程，将其作为模型验证资料，根据确定的比尺设计制作桥墩等，开展物理模型冲刷试验，记录墩前水深、冲深变化过程，并与历史观测数据进行对比，若变化数值及过程线基本一致，则认为模型水槽合理。
图1所示的并线桥墩局部冲刷物理模型为本发明的一个实施例，包括水槽1及配套支持设备，配套支持设备包括水库2、退水渠3、前池4和水泵5。水泵5的进水口与水库2的出水管连接，起出水口经管道与前池连通。前池3设置于水槽1进水端，与水槽连接处设置格栅6。退水渠3与水槽1出水端连接，即与水槽1尾门7连接。退水渠3的出水端与水库2连接，从水槽1中出来的水汇集于水库2中，以重复利用。水槽1长25米，宽2m。水槽1内平整铺设的模型沙，作为河床，每组次冲刷试验前，都要重新铺设一次。本实施例模型沙为中值粒径0.048mm的粉煤灰。
如图2所示，选择具有代表性的直径4cm的圆柱墩作为桥墩类型，设置上下游并线桥梁平行且孔跨对应，桥跨间距为30cm，两桥间距为54cm。
(2)查阅国家、区域/流域相关技术规范和技术标准来确定研究区域水流流向与桥墩纵轴线所允许的最大斜交角度θ'max。即查阅相关技术规范和标准，如《内河通航标准》和《公路桥涵设计通用规范》规定桥梁轴线的法线方向与水流流向的交角不宜超过5°；《铁路工程水文勘测设计规范》规定桥梁轴线宜与中、高水位时的流向正交；《黄河河道管理范围内建设项目技术审查标准》(试行)规定桥墩设置以尽量减小对河道主流变化的影响为原则；桥梁轴线的法线方向应与洪水主流流向基本一致等等。此外，还需兼顾桥梁所属区域的相关规定与规划。综合上述查阅情况和区域的规划从而确定最大斜交角度θ'max。
根据研究区域河情河势，分析得到天然河道水流流向变化范围及其与桥墩纵轴线理论的最大斜交角度θ″max；取以上两者的最大值为试验设计最大夹角θmax，即θmax＝Max(θ'max,θ″max)。本实施例中，θmax为20°。
(3)将并线桥墩实物模型按照设定的间距置于水槽中，以水流方向与桥墩纵轴线夹角为θj(1≤j≤n)的布置方式，进行局部冲刷试验，其中θ1＝0，θn＝θmax，且满足
Figure BDA0002350576430000051
j为试验组次序号，n为试验组次数目。
具体地，调整上游桥模型和下游桥模型桥墩的位置，调整并线桥墩模型的上游桥模型和下游桥模型的桥墩间距、桥跨间距，以及水流流向与桥墩纵轴线夹角，模拟不同水流流向对桥墩局部冲刷情况，进行局部冲刷试验。本实施例，调整使水流方向与桥墩纵轴线夹角分别为0°、10°、15°和20°，单宽流量10m3/s·m，试验共4个组次。
(4)测量不同组次试验水槽沿程水位、桥墩周围流速分布以及冲刷坑形态，统计上游桥和下游桥各个桥墩的冲刷深度值
Figure BDA0002350576430000052
并对比选取不同组次最大值为局部冲刷深度值，即
Figure BDA0002350576430000053
其中i为试验桥墩编号，m为试验桥墩数目。
试验结果如表1所示，当夹角为0°时，上游桥墩局部冲刷深度为5.2cm，下游桥墩为4.8cm；当夹角逐渐增大，上游桥墩冲刷深度减小为5.0cm，下游桥墩冲刷深度则增大至5.3～5.5cm。
表1并线桥墩冲坑参数统计表
Figure BDA0002350576430000054
综合以上，并线桥梁上、下游桥墩的局部冲刷深度分别为5.0cm、5.3～5.5cm。然而，若采用现行并线桥墩物理模型实验方法(即只考虑夹角为0°的工况)，得出的上、下游桥墩冲刷深度则为5.2cm、4.8cm,其下游桥墩冲刷深度值明显偏小。由此可见，只考虑夹角为0°的工况，不能全面反映并线桥墩局部冲刷情况，求得的冲刷深度值也不合理，影响桥渡等涉河建筑工程的安全。而本发明综合考虑了不同水流流向与并线桥梁桥墩斜交的复杂工况，全面模拟不同水流流向对桥墩局部冲刷情况，使得模型试验更加全面，测得的桥墩冲刷深度值也更加准确，为桥渡等涉河建筑工程设计提供更为全面准确的参考。

Claims (6)

1.一种并线桥墩局部冲刷物理模型试验方法，其特征是，包括以下步骤：
(1)根据研究区域的河情河势构建并线桥墩局部冲刷物理模型的水槽及配套支持设备；
(2)确定研究区域水流流向与桥墩纵轴线所允许的最大斜交角度θ'max，根据研究区域河情河势，分析得到天然河道水流流向变化范围及其与桥墩纵轴线理论的最大斜交角度θ”max；取以上两者的最大值为试验设计最大夹角θmax，即θmax＝Max(θ'max,θ″max)；
(3)将并线桥墩实物模型按照设定的间距置于水槽中，以水流方向与桥墩纵轴线夹角为θj(1≤j≤n)的布置方式，进行局部冲刷试验，其中θ1＝0，θn＝θmax，且满足
Figure FDA0002350576420000011
j为试验组次序号，n为试验组次数目；
(4)测量不同组次试验水槽沿程水位、桥墩周围流速分布以及冲刷坑形态，统计线桥墩实物模型的上游桥和下游桥各个桥墩的冲刷深度值
Figure FDA0002350576420000013
并对比选取不同组次的最大值为局部冲刷深度值，即
Figure FDA0002350576420000012
其中i为试验桥墩编号，m为试验桥墩数目。
2.根据权利要求1所述的并线桥墩局部冲刷物理模型试验方法，其特征是，所述步骤(1)中，对研究区域的河情河势进行调研，按照相似理论，确定并线桥墩局部冲刷物理模型的水槽的几何、流速、糙率和时间等比尺，设计制作水槽及配套支持设备。
3.根据权利要求1所述的并线桥墩局部冲刷物理模型试验方法，其特征是，所述步骤(2)中，查阅国家、区域/流域相关技术规范和技术标准来确定研究区域水流流向与桥墩纵轴线所允许的最大斜交角度θ'max。
4.根据权利要求1-3任一项所述的并线桥墩局部冲刷物理模型试验方法，其特征是，所述步骤(2)中，θmax＝Max(θ'max,θ″max)的角度大于0度小于90度。
5.根据权利要求4所述的并线桥墩局部冲刷物理模型试验方法，其特征是，所述步骤(3)中，调整并线桥墩模型的上游桥模型和下游桥模型的桥墩间距、桥跨间距，以及水流流向与桥墩纵轴线夹角，模拟不同水流流向对桥墩局部冲刷情况。
6.根据权利要求1-3任一项所述的并线桥墩局部冲刷物理模型试验方法，其特征是，所述步骤(3)中，调整并线桥墩模型的上游桥模型和下游桥模型的桥墩间距、桥跨间距，以及水流流向与桥墩纵轴线夹角，模拟不同水流流向对桥墩局部冲刷情况。
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