CN112257139A - 基于玻璃水槽试验数据的河道数学模型桥墩概化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公布了基于玻璃水槽试验数据的河道数学模型桥墩概化方法，概化桥墩试验与原型桥墩试验的水位差值在±0.01m以内，流速差值在±0.05m/s以内。通过玻璃水槽断面模型试验对原型桥墩和概化桥墩进行比较试验，得到了与原型桥墩等效阻水的概化桥墩尺寸以供数学模型使用。概化桥墩与原型桥墩各水力学参数基本相同，确保概化后桥墩阻水影响与原型一致，解决了河道数学模型桥墩概化主要根据理论计算或通过实测河道水位反推桥墩等效阻水面积，跟实际常有偏差的技术问题。

Description

基于玻璃水槽试验数据的河道数学模型桥墩概化方法
技术领域
本发明属于河道水力学技术领域，具体涉及基于玻璃水槽试验数据的河道数学模型桥墩概化方法。
背景技术
目前，我们一般采用丹麦DHI公司开发的MIKE21软件中的水动力模块进行河流下游河道桥梁群对防洪影响的累积效应研究。MIKE21在平面二维自由表面流数值模拟方面具有强大的功能，软件自带的构筑物选项可以实现简单桥墩结构的模拟，但对于包括桥墩、承台及群桩3个部分的复杂桥墩，往往需要对桥墩进行概化处理，其目的是为了简化数学模型建模，提高其运算速度。概化处理拟将桥墩承台及桩基概化为高度及长度不变、宽度缩窄的承台体型，并通过玻璃水槽试验确定概化后的承台宽度，确保概化后桥墩阻水影响与原型一致。
发明内容
(1)要解决的技术问题
河道数学模型桥墩概化主要根据理论计算或通过实测河道水位反推桥墩等效阻水面积，跟实际常有偏差。
(2)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供基于玻璃水槽试验数据的河道数学模型桥墩概化方法，包括以下步骤：
1)、按照重力相似和几何相似准则，制作比尺为λL＝30的桥墩正态模型，其相关比尺如下：
流速比尺：λv＝λL 1/2＝5.477
流量比尺：λQ＝λL 5/2＝4929.50
糙率比尺：λn＝λL 1/6＝1.7627
2)、设定玻璃水槽宽度1m，模拟原型河道宽度30m，玻璃水槽底坡为0，模拟各个桥墩的平均河底高程；
3)、玻璃水槽上游给定河道数学模型相应单宽流量，控制桥墩模型下游5m处水位为实测水位；
4)、测量桥墩模型上游5m处水位为H；
5)、制作概化桥墩模型，所述概化桥墩模型的墩身及以上体型不变，承台及以下概化成承台形状，承台长度及顶高程不变，底高程为原桩底高程，宽度b为原承台宽度B的a％；
6)、将玻璃水槽中的模型桥墩替换成概化桥墩模型，玻璃水槽水力边界条件不变，测量概化桥墩模型上游5m处水位h；
7)、调整概化桥墩模型的承台宽度，使h＝H，得出a％＝b/B。
而在河道数学模型中，桥墩承台及以下概化为承台体型，宽度按原承台宽度的a％，其余参数不变即可。当制作比尺为λL＝30的桥墩正态模型时，设置在玻璃水槽内的原型桥墩模型和概化桥墩模型都是按照1:30的比例缩小，其试验水深也是按照1:30的比例缩小。
(3)有益效果
本发明的有益效果：通过玻璃水槽断面模型试验对原型桥墩和概化桥墩进行比较试验，得到了与原型桥墩等效阻水的概化桥墩尺寸以供数学模型使用。概化桥墩与原型桥墩各水力学参数基本相同，确保概化后桥墩阻水影响与原型一致，解决了河道数学模型桥墩概化主要根据理论计算或通过实测河道水位反推桥墩等效阻水面积，跟实际常有偏差的技术问题。
附图说明
附图用来提供对本发明专利的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。
图1为金山大桥原型桥墩试验；
图2为金山大桥概化桥墩试验；
图3为尤溪洲大桥原型桥墩试验；
图4为尤溪洲大桥概化桥墩试验；
图5为解放大桥原型桥墩试验；
图6为解放大桥概化桥墩试验；
图7为闽江大桥原型桥墩试验；
图8为闽江大桥概化桥墩试验；
图9为鳌峰大桥原型桥墩试验；
图10为鳌峰大桥概化桥墩试验。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明实施例中的技术方案进行进一步清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
实施例一
本实施例提供基于玻璃水槽试验数据的河道数学模型桥墩概化方法，通过玻璃水槽断面模型试验对金山大桥、尤溪洲大桥、解放大桥、闽江大桥、鳌峰大桥主跨原型桥墩与概化桥墩进行比较试验，寻找与原型桥墩等效阻水的概化桥墩尺寸以供数学模型试验。
本实施例各原型桥墩和概化桥墩按重力相似及几何相似准则设计，制作比尺为λL＝30的正态模型。其相关比尺如下：
流速比尺：λv＝λL 1/2＝5.477
流量比尺：λQ＝λL 5/2＝4929.50
糙率比尺：λn＝λL 1/6＝1.7627
玻璃水槽宽度1m，模拟原型河道宽度30m，玻璃水槽底坡为0，模拟各个桥墩的平均桩底地形高程。模型各桥墩、承台均由雕刻机根据原型尺寸精准雕刻而成，承台下群桩用同等尺寸的PVC管进行模拟。PVC板材及管道糙率约为0.0081～0.0091，相当于原型糙率约0.014～0.016，与混凝土糙率相似。另外配备流量计、水位和流速自动化数据采集系统及水循环系统。
试验工况为：下泄100年一遇洪水流量Q＝35600m3/s，北港分流流量约Q＝6472m3/s，单宽流量约Q＝20m3/sm。
试验水深为各桥墩下游150m处水位至桩底河道平均高程的高程差值，具体试验工况和边界条件如下表1-1。
Figure BDA0002673910640000041
表1-1试验工况及边界条件
1、原型桥墩与概化桥墩流态比较
在100年一遇流量Q＝35600m3/s洪水作用下，各大桥原型桥墩附近会形成固有的马蹄形螺旋和尾涡螺旋，无其他明显的旋涡、回流等不良流态。概化桥墩的水流流态基本与原型相似。原型桥墩及概化桥墩附近水面及水下水流形态见图1～10。
2、原型桥墩与概化桥墩水位比较
金山大桥原型桥墩试验水位为9.108m～9.030m，概化桥墩试验水位为9.101m～9.040m，差值为-0.007～0.010；尤溪洲大桥原型桥墩试验水位为9.001m～8.877m，概化桥墩试验水位为8.991m～8.867m，差值为-0.010～-0.006；解放大桥原型桥墩试验水位为8.861m～8.823m，概化桥墩试验水位为8.852m～8.817m，差值为-0.009～-0.006；闽江大桥原型桥墩试验水位为8.199m～7.742m，概化桥墩试验水位为8.205m～7.735m，差值为-0.009～0.006；鳌峰大桥原型桥墩试验水位为7.519m～7.505m，概化桥墩试验水位为7.515m～7.495m，差值为-0.010～-0.004，具体各大桥原型桥墩与概化桥墩水位比较见表1-2。
Figure BDA0002673910640000051
表1-2原型桥墩与概化桥墩水位比较表
3、原型桥墩与概化桥墩流速比较
金山大桥原型桥墩试验流速为2.28m/s～1.57m/s，概化桥墩试验流速为2.22m/s～1.55m/s，垂向平均流速差值为0.05m/s～-0.02m/s；尤溪洲大桥原型桥墩试验流速为1.98m/s～0.64m/s，概化桥墩试验流速为1.98m/s～0.68m/s，垂向平均流速差值为0.04m/s～-0.04m/s；解放大桥原型桥墩试验流速为1.44m/s～1.12m/s，概化桥墩试验流速为1.44m/s～1.02m/s，垂向平均流速差值为0.04m/s～-0.03m/s；闽江大桥原型桥墩试验流速为1.55m/s～1.00m/s，概化桥墩试验流速为1.56m/s～0.97m/s，垂向平均流速差值为0.05m/s～-0.04m/s；鳌峰大桥原型桥墩试验流速为1.85m/s～1.00m/s，概化桥墩试验流速为1.82m/s～1.07m/s，垂向平均流速差值为0.05m/s～-0.05m/s；具体各大桥原型桥墩与概化桥墩流速比较见表1-3。
Figure BDA0002673910640000061
Figure BDA0002673910640000071
表1-3原型桥墩与概化桥墩流速比较表
注：(1)100年一遇工况，单宽流量Q＝20m3/sm；(2)表中流速单位为m/s
综上，本次试验对各大桥原型桥墩和概化桥墩进行比较，确定了各桥墩的概化体型，从试验数据可以看出：概化桥墩与原型桥墩的水位差值均在±0.01m以内，流速差值均在±0.05m/s以内，可以认为概化桥墩与原型桥墩在阻水影响上具有等同效果。具体各大桥主跨概化桥墩承台宽度见表1-4。
Figure BDA0002673910640000072
表1-4各大桥主跨概化桥墩承台宽度表
以上所述实施例仅表达了本发明的优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形、改进及替代，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (2)

1.基于玻璃水槽试验数据的河道数学模型桥墩概化方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)、按照重力相似和几何相似准则，制作比尺为λL＝30的桥墩正态模型，其相关比尺如下：
流速比尺：λv＝λL 1/2＝5.477
流量比尺：λQ＝λL 5/2＝4929.50
糙率比尺：λn＝λL 1/6＝1.7627
2)、设定玻璃水槽宽度1m，模拟原型河道宽度30m，玻璃水槽底坡为0，模拟各个桥墩的平均河底高程；
3)、玻璃水槽上游给定河道数学模型相应单宽流量，控制桥墩模型下游5m处水位为实测水位；
4)、测量桥墩模型上游5m处水位为H；
5)、制作概化桥墩模型，所述概化桥墩模型的墩身及以上体型不变，承台及以下概化成承台形状，承台长度及顶高程不变，底高程为原桩底高程，宽度b为原承台宽度B的a％；
6)、将玻璃水槽中的模型桥墩替换成概化桥墩模型，玻璃水槽水力边界条件不变，测量概化桥墩模型上游5m处水位h；
7)、调整概化桥墩模型的承台宽度，使h＝H，得出a％＝b/B。
2.根据权利要求1所述的基于玻璃水槽试验数据的河道数学模型桥墩概化方法，其特征在于，在河道数学模型中，桥墩承台及以下概化为承台体型，宽度按原承台宽度的a％，其余参数不变即可。
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