CN112746556B - 一种下凹型旋转正态曲面与散粒体结合的桥墩冲刷防护方法 - Google Patents
一种下凹型旋转正态曲面与散粒体结合的桥墩冲刷防护方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开一种下凹型旋转正态曲面与散粒体结合的桥墩冲刷防护方法，该方法用于跨海或跨河桥梁桥墩基础冲刷的防护，当桥墩或桥桩底部周围局部冲刷坑达到设定深度后，铺设下凹的旋转正态曲面防护结构，并在旋转正态曲面防护结构内部铺设特定厚度的散粒体。本发明的防护方法将冲刷坑内的正态曲面结构抵御下冲水流与散粒体层削弱马蹄形漩涡有机结合起来，正态曲面结构主要用于抵御墩前下冲水流，散粒体层可以消减桥墩周围的马蹄涡。该防护体系能在大桥使用期间，消减桥墩周围下冲水流和马蹄涡能量，减小局部冲刷，对桥墩基础起到有效保护作用。本发明对涉水建筑物的基础防护均有效。
Description
技术领域
本发明属于桥梁基础局部冲刷防护领域，具体涉及一种下凹型旋转正态曲面与散粒体结合的桥墩冲刷防护方法。
背景技术
跨海(河)桥梁桥墩周围局部冲刷对于桥梁基础安全影响极大，是导致桥梁破坏的主要原因。桥墩周围局部冲刷导致的桥梁倒塌占总数的一半以上。所以，对桥墩局部冲刷进行有效和充分的防护十分重要。
水流对桥墩的局部冲刷有三方面原因：(1)桥墩阻水导致周围流速增大，指水流遇到障碍物时过水断面面积减小，引起局部流速增大，床面泥沙冲刷而形成冲刷坑；(2)下冲水流掏蚀床面，主要指前进水流撞击桥墩后形成下冲水流，对床面产生强烈的掏蚀作用；(3)马蹄形漩涡冲刷，主要指水流绕过障碍物时形成的马蹄形漩涡，卷走了墩周的部分泥沙。
桥墩的局部冲刷防护措施主要分为两类：(1)主动防护。减小水流对桥墩的冲刷能量，即减弱水流冲刷过程中的下冲流和马蹄形漩涡流，通常采用扩大桥墩的基础平面或设护脚等措施以减小水流的冲刷能量。(2)被动防护。提高桥墩附近底床的防冲刷能力，通常是在桥墩基础周围抛石或扭王字块，试图提高桥墩的抗冲能力。
现有防护措施存在成本高、防护效果差和不能有效抵御台风暴潮等灾害性海洋环境等不足。利用扩大桥墩基础顶面的主动防护措施在通常水流下能抵御下冲水流，然而在极端水动力环境下床面冲刷严重而下降,致使桥墩基础完全暴露于床面之上，从而在桥墩基础迎流面上形成更强的下冲水流，导致局部冲刷更为严重。桥墩墩体开缝能起到削弱马蹄形漩涡强度的作用,开缝多则降低桥墩强度，开缝少则效果差，开缝还可能被漂浮物等堵塞。因旋转流或主流摆动等造成桥墩行近水流方向与开缝方向不一致时,开缝就失去防护作用。
抛石防护一直是大、中型桥梁桥墩最广泛采用的被动防护形式,具有涡流增强、防护效果差、运维费用和工作量较大等缺点。特别是当极端水动力作用下，抛石周围形成强烈的涡漩，加剧了涡漩对床面的掏蚀作用。不仅起不到防护作用，甚至可能起到相反的作用。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出一种下凹型旋转正态曲面与散粒体结合的桥墩冲刷防护方法，具体技术方案如下：
一种下凹型旋转正态曲面与散粒体结合的桥墩冲刷防护方法，该方法用于跨海或跨河桥梁桥墩基础冲刷的防护，当桥墩或桥桩底部周围局部冲刷坑达到设定深度后，铺设下凹的旋转正态曲面防护结构，并在旋转正态曲面防护结构内部铺设特定厚度的散粒体。
进一步地，所述正态曲面防护结构为厚度为a的一段旋转正态曲面壳体，以桥墩的中心与未冲刷的河床平面的交点为原点，水流方向为x轴正方向、水平面内垂直于水流方向的为y轴、桥墩轴线向下为z轴正方向，则所述正态曲面壳体的内表面为满足如下方程的曲面：
其中，x,y,z为正态曲面壳体内表面点的坐标，l为所述正态曲面外壳套设在桥墩后正态曲面外壳的内表面距离桥墩表面的间隙距离；σ为与冲刷坑范围相关的方差值，h0为正态曲面壳体上部到床面的距离。正态曲面底部位于床面以下mhb处，hb为最大冲刷坑深度,m＝0.7～0.9。
进一步地，所述散粒体层厚度Δh与冲刷坑最大深度hb的比值λ满足如下条件：
其中，G‘为散粒体颗粒等效重力；Fw为水流力；μ为冲刷坑床面的摩擦系数；L为冲刷坑长度；α，β为冲刷坑前后两部分坡面与水平面的夹角，ρw为水密度。
进一步地，所述正态曲面防护结构还包括插入河床中用于固定所述正态曲面壳体的圆柱套筒形底座，其厚度与正态曲面壳体厚度相同，该底座的内表面满足如下关系：
进一步地，a＝0.1～0.3m，hc＝1～2m。
进一步地，散粒体粒径d为当地自然条件下极端流速作用时泥沙起动粒径的3～5倍。
本发明的有益效果如下：
桥墩周围局部冲刷的主因为下冲水流和马蹄形漩涡。本发明的防护体系将冲刷坑内的正态曲面结构抵御下冲水流与散粒体层削弱马蹄形漩涡有机结合起来，正态曲面结构主要用于抵御墩前下冲水流，散粒体层可以消减桥墩周围的马蹄涡。该防护体系能在大桥使用期间，消减桥墩周围下冲水流和马蹄涡能量，减小局部冲刷，对桥墩基础起到有效保护作用。
附图说明
图1为斜坡上散粒体受力情况图；
图2为下凹型正态曲面和散粒体结合的桥墩周围局部冲刷防护侧面图。
图3为下凹型旋转正态曲面和散粒体结合的桥墩周围局部冲刷防护俯视图。
具体实施方式
下面根据附图和优选实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明白，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
首先介绍桥墩冲刷坑中的散粒体的受力情况。如图1所示，散粒体颗粒在冲刷坑表面受力可简化为：重力、床面阻力、浮力、水流力。
散粒体重力：
浮力：
有效重力：G'＝G-FT
水流力：
A为迎水面面积：
CD为推力系数；
河床阻力：f1-颗粒在冲刷坑底部受到的摩擦力
f2-颗粒在冲刷坑斜面受到的摩擦力
d为散粒体直径；u为水流速度；ρ为散粒体密度；ρw为水密度；g为重力加速度，取9.8N/kg。
根据跨海大桥现场观测资料，在以潮汐主导的海峡河口环境中，桥墩前后冲刷坑长度基本相等，前后端冲刷坑斜面与水平方向夹角也大致相等，如图2所示，为本发明的下凹型旋转正态曲面防护结构与散粒体结合的桥墩冲刷防护装置，当桥墩或桥桩底部周围局部冲刷坑达到设定深度后，铺设下凹的旋转正态曲面防护结构，并在旋转正态曲面防护结构内部铺设特定厚度的散粒体。旋转正态曲面防护结构为厚度为a的一段旋转正态曲面壳体。下面具体对桥墩冲刷防护装置的形状进行介绍。
进一步地，所述正态曲面防护结构为厚度为a的一段旋转正态曲面壳体，正态曲面底部位于床面以下mhb处，hb为最大冲刷坑深度,m＝0.7～0.9。以桥墩的中心与未冲刷的河床平面的交点为原点，水流方向为x轴正方向、水平面内垂直于水流方向的为y轴、桥墩轴线向下为z轴正方向，则所述正态曲面壳体的内表面为满足如下方程的曲面：
其中，x,y,z为正态曲面壳体内表面点的坐标，l为所述正态曲面外壳套设在桥墩后正态曲面外壳的内表面距离桥墩表面的间隙距离；σ为与冲刷坑范围相关的方差值，h0为正态曲面壳体上部到床面的距离。正态曲面底部位于床面以下mhb处，hb为最大冲刷坑深度,m＝0.7～0.9。
在冲刷坑形成后，将此正态曲面结构沉至冲刷坑内，由于自重的作用，该结构会压实坑内泥沙从而固定在冲刷坑表面。
进一步地，为了使该旋转正态曲面防护结构能够被牢固地固定，因此在旋转正态曲面防护结构下端继续设置一段圆柱套筒形底座，垂直向下插入沉积层中，从而将旋转正态曲面防护结构固定在冲刷坑底部的河床上。正态曲面防护结构还包括插入河床中用于固定所述正态曲面壳体的圆柱套筒形底座，其厚度与正态曲面壳体厚度相同，圆柱套筒形底座的内表面满足如下关系：
当设置底座时，hc即为旋转正态曲面防护结构插入河床底部的深度。进一步地，a＝0.1～0.3m，hc＝1～2m。
图3为该防护结构与散粒体俯视图。铺设散粒体的粒径d和厚度Δh由散粒体斜坡起动流速的计算方法，通过散粒体在正态曲面上的受力分析确定，以起到最有效的防护作用。散粒体粒径d和铺设厚度Δh一方面保证散粒体不会被外移出冲刷坑，另一方面避免散粒体对结构的磨蚀。该正态曲面结构与桥墩之间留有一定间隙，以避免对桥墩产生撞击力。因此，该散粒体层的厚度用以下方式确定：
若保证该颗粒不会被冲刷离开防护结构，则应满足：散粒体被冲至正态曲面防护结构边缘前，速度就应降至零并回落回冲刷坑底部，即水流力和浮力做正功之和小于重力和表面阻力做负功之和。另外设原有最大冲刷深度为hb，水流流速u，桥墩直径为D，μ为冲刷坑散粒体层表面的阻力系数。铺设散粒体层厚度为Δh＝λhb，粒径d，极端水动力条件下水流流速为u2。即
整理，得：
其中，G‘为散粒体颗粒等效重力；Fw为水流力；μ为冲刷坑床面的摩擦系数；L为冲刷坑长度；α，β为冲刷坑前后两部分坡面与水平面的夹角，ρw为水密度。
优选地，采用的散粒体粒径为当地自然条件下(未建桥)极端流速作用时泥沙起动粒径的3～5倍。
本发明的下凹型正态曲面与散粒体结合的桥墩冲刷防护装置铺设在桥墩周围局部冲刷坑内，利用散粒体空隙消涡及散粒体在斜坡上运动消耗涡体能量，以削减桥墩周围水流紊动和马蹄涡的强度，降低马蹄涡对桥墩及其防护结构的冲蚀作用。散粒体之间的空隙可消减桥墩周围的尾流漩涡，有效地吸收马蹄涡能量；同时散粒体在下冲水流作用下会沿正态曲面离桥墩斜向运动，再在重力作用下回落，将水流的动能转化为散粒体的动能与势能，可进一步消耗下冲水流和马蹄涡的能量。散粒体层的重量增加正态曲面结构对其下泥沙的压实作用，有助于保持防护结构的稳定性。
对其他涉水建筑物，可参照本发明提供的防护方法设计相应的曲面结构和散粒体，本发明对涉水建筑物基础冲刷防护有指导作用。
本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为发明的优选实例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种下凹型旋转正态曲面与散粒体结合的桥墩冲刷防护方法，其特征在于，该方法用于跨海或跨河桥梁桥墩基础冲刷的防护，当桥墩或桥桩底部周围局部冲刷坑达到设定深度后，铺设下凹的旋转正态曲面防护结构，并在旋转正态曲面防护结构内部铺设厚度为冲刷坑最大深度的λ倍的散粒体；正态曲面底部位于床面以下mhb处，hb为最大冲刷坑深度,m＝0.7～0.9。
2.根据权利要求1所述的下凹型旋转正态曲面与散粒体结合的桥墩冲刷防护方法，其特征在于，所述正态曲面防护结构为厚度为a的一段旋转正态曲面壳体，以桥墩的中心与未冲刷的河床平面的交点为原点，水流方向为x轴正方向、水平面内垂直于水流方向的为y轴、桥墩轴线向下为z轴正方向，则所述正态曲面壳体的内表面为满足如下方程的曲面：
其中，x,y,z为正态曲面壳体内表面点的坐标，l为所述正态曲面外壳套设在桥墩后正态曲面外壳的内表面距离桥墩表面的间隙距离；σ为与冲刷坑范围相关的方差值，h0为正态曲面壳体上部到床面的距离，D为桥墩直径。
3.根据权利要求2所述的下凹型旋转正态曲面与散粒体结合的桥墩冲刷防护方法，其特征在于，散粒体层厚度Δh与冲刷坑最大深度hb的比值λ满足如下条件：
散粒体颗粒有效重力：G'＝G-FT
散粒体重力：
浮力：
水流力：
A为迎水面面积：
CD为推力系数；
其中，Fw为水流力；μ为冲刷坑床面的摩擦系数；L为冲刷坑长度；α，β为冲刷坑前后两部分坡面与水平面的夹角，ρw为水密度；d为散粒体直径；u为水流速度。
4.根据权利要求3所述的下凹型旋转正态曲面与散粒体结合的桥墩冲刷防护方法，其特征在于，所述正态曲面防护结构还包括插入河床中用于固定所述正态曲面壳体的圆柱套筒形底座，其厚度与正态曲面壳体厚度相同，该底座的内表面满足如下关系：
hc为圆柱套筒形底座高度。
5.根据权利要求4所述的下凹型旋转正态曲面与散粒体结合的桥墩冲刷防护方法，其特征在于，a＝0.1～0.3m，hc＝1～2m。
6.根据权利要求4所述的下凹型旋转正态曲面与散粒体结合的桥墩冲刷防护方法，其特征在于，散粒体粒径d为当地自然条件下极端流速作用时泥沙起动粒径的3～5倍。
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