一種雙墩柱局部沖刷特性的確定方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種雙墩柱局部沖刷特性的確定方法，在可變坡循環(huán)玻璃水槽中進行簡化模型試驗，通過改變上下游墩柱間距及水流條件設(shè)置試驗工況，以上下游墩柱局部沖刷坑深度為特征參量，分析不同間距條件下沖坑深度~水流強度的關(guān)系與單墩柱條件下的區(qū)別，進而具體分析上下游墩柱局部沖刷特性，結(jié)果表明，上游墩柱與單一墩柱規(guī)律相同，下游墩柱沖刷特性則劃分為床面平整、同步?jīng)_刷、偏離過渡和完全偏離四個區(qū)。本發(fā)明通過水槽模型試驗獲得上下游橋墩沖坑深度隨水流條件的變化規(guī)律，為橋梁的合理規(guī)劃布置提供了依據(jù)，可以減輕橋墩沖刷破壞并緩解城市防洪等的壓力，同時為進行橋梁等涉河工程群累積影響評估提供理論參考。
【專利說明】-種雙壞柱局部沖刷特性的確定方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于設(shè)河工程【技術(shù)領(lǐng)域】，設(shè)及橋壞沖刷問題，具體設(shè)及一種雙壞柱局部沖 刷特性的確定方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 天然河道中橋梁的興建必然導(dǎo)致橋壞附近水沙狀況的變化。壞前向下水流、壞側(cè) 馬蹄禍及壞后尾禍等水流結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，使壞柱周圍床面出現(xiàn)相應(yīng)調(diào)整從而形成沖刷坑，危 及建筑物自身的穩(wěn)定和安全，并對附近河段的河勢產(chǎn)生影響，因此橋壞沖刷在工程實踐中 受到特別的重視。隨著近年來社會經(jīng)濟的發(fā)展，河流上的橋梁數(shù)量不斷增多，在城市河段 更為密集，使得在水沙特性變化的問題上，橋梁之間的累積影響日益凸顯，該對城市防洪安 全、航運問題、橋梁自身安全等都形成新的威脅。由于在W往研究中研究對象多為單個橋壞 或單座橋梁，對于橋梁群的相關(guān)研究亟待展開，就橋壞沖刷問題而言，在橋梁群條件下必定 表現(xiàn)出與單個橋壞或單座橋梁迴異的特性，因此需要予W確定。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 發(fā)明目的；為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種雙壞柱局部沖刷特 性的確定方法，為橋梁群的合理規(guī)劃及優(yōu)化布置提供參考，并為揭示設(shè)河工程群累積影響 提供依據(jù)。
[0004] 技術(shù)方案；為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供的一種雙壞柱局部沖刷特性的確 定方法，在可變坡循環(huán)玻璃水槽中進行簡化模型試驗，通過改變上下游壞柱間距及水流條 件設(shè)置試驗工況，W上下游壞柱局部沖刷坑深度為特征參量，分析不同間距條件下沖坑深 度?水流強度的關(guān)系與單壞柱條件下的區(qū)別，進而具體分析上下游壞柱沖刷特性。
[0005] 具體地，將不同壞間距條件下沖坑相對深度i與相對流速7^的試驗數(shù)據(jù)繪制于 D Ur 同一圖中，根據(jù)試驗點與單壞柱沖刷規(guī)律偏離程度間的不同進行分區(qū)：
[0006] 1)床面平整區(qū)；整個床面均無沖坑形成。
[0007] 2)同步?jīng)_刷區(qū)；上下游壞柱同時開始形成沖坑，且符合單一壞柱沖刷特性，該時 上下游壞柱的沖刷特性均可由下式描述：
[000引 苦=2.86'奪-1.332
[0009] 式中，d為沖刷坑深度，D為橋壞壞徑，U為來流垂線平均流速，U。為泥沙起動流 速；
[0010] 3)偏離過渡區(qū)；下游壞柱沖坑深度小于相同水流條件下單壞柱沖坑的深度；過渡 區(qū)范圍隨著間距的增大先增大后減小，在本次試驗中當(dāng)壞間距為3倍壞徑時達到最大。
[0011] 4)完全偏離區(qū)；下游壞柱沖刷特性重新回歸到線性規(guī)律，且其點據(jù)分布與公式 (1)的直線呈平行關(guān)系，該時下游壞柱的沖刷特性可由下式表示：
[001 引 ^=2.865 戶-/I D U('
[0013] 其中常數(shù)A與壞間距相關(guān)。
[0014] 具體地，采用外貼刻度紙的光滑透明圓柱形有機玻璃管模擬橋壞壞柱，將粒徑均 勻的石英砂平鋪形成床面，鋪砂段的兩端分別設(shè)置水流漸變導(dǎo)板和床沙擋板，通過水累、閩 口及底坡的調(diào)節(jié)在水槽內(nèi)獲得恒定均勻流，用超聲波流量計測量流量Q，用聲學(xué)多普勒流速 儀測量垂線平均流速U，通過橋壞處床面對應(yīng)刻度的變化測量沖刷坑的深度。
[0015] 具體地，所述變坡循環(huán)玻璃水槽長12m，寬0. 42m，高0. 7m，其試驗段長6m設(shè)置在水 槽中部；所述有機玻璃管高70cm，外徑6cm，外貼刻度紙最小刻度為1mm ;所述床面的石英砂 粒徑為0. 70臟，密度為P ,= 2. 64g/cm3,鋪沙厚度為15畑1，每次試驗前床面均重新鋪平；試 驗水深h選擇12cm和15cm兩種，橋壞間距d選取0?15倍壞徑，共進行試驗141組。
[0016] 具體地，所述每組試驗開始前通過水累預(yù)先小流量注入水體，W潤濕泥沙并保護 床面初始形態(tài)，然后通過水累、閩口及底坡的調(diào)節(jié)獲得恒定均勻流；每組試驗持續(xù)沖刷至少 5個小時，認(rèn)為沖刷達到平衡。
[0017] 具體地所述超聲波流量計測量誤差小于5%，所述聲學(xué)多普勒流速儀在距離水面 0. 6化處測量平均流速
[0018] 有益效果；相比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的有點和有益效果為：
[0019] 1.通過水槽模型試驗，確定了雙壞柱條件下上下游壞柱局部沖刷特性與單壞柱之 間的差異，尤其對下游壞柱附近的沖刷過程進行分區(qū)。結(jié)果表明，上游壞柱沖刷特性與單一 壞柱基本吻合，而下游壞柱沖刷特性則因上游壞柱的影響而存在明顯的差異，根據(jù)其與單 一壞柱沖刷規(guī)律的偏離程度，將下游壞柱沖刷特性劃分為床面平整、同步?jīng)_刷、偏離過渡和 完全偏離四個區(qū)。
[0020] 2.為進行橋梁等設(shè)河工程群累積影響評估提供理論參考，為當(dāng)前河流上日益增多 的橋梁的合理規(guī)劃布置提供了依據(jù)，從而減輕橋壞沖刷破壞并緩解城市防洪等的壓力。
[0021] 除了 W上所述的本發(fā)明解決的技術(shù)問題、構(gòu)成技術(shù)方案的技術(shù)特征W及由該些技 術(shù)方案的技術(shù)特征所帶來的優(yōu)點外，本發(fā)明的一種雙壞柱局部沖刷特性的確定方法所能解 決的其他技術(shù)問題、技術(shù)方案中包含的其他技術(shù)特征W及該些技術(shù)特征帶來的優(yōu)點，將結(jié) 合附圖做出進一步詳細(xì)的說明。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0022] 圖1是本發(fā)明實施例水槽試驗段的主視圖；
[002引圖2是圖1的俯視圖；
[0024] 圖3為單個橋壞及雙壞間距為0時的沖刷特性；
[0025] 圖4為水深12cm雙壞柱條件時上游壞柱沖刷特性；
[0026] 圖5為水深15cm雙壞柱條件時上游壞柱沖刷特性；
[0027] 圖6為壞間距d = 1?3D雙壞柱條件時下游壞柱沖刷特性；
[002引圖7為壞間距d = 3?1抓雙壞柱條件時下游壞柱沖刷特性；
[0029] 圖中，1水槽，2壞柱，3床面，4水流漸變導(dǎo)板，5床沙擋板。

【具體實施方式】 [0030] 實施例；
[0031] 本實施例的水槽模型試驗裝置如圖1和圖2所示，采用變坡循環(huán)玻璃水槽。其中 水槽1長12m，寬0. 42m，高0. 7m，試驗段長6m ;橋壞的壞柱2采用光滑透明的圓柱形有機玻 璃管進行模擬，管高70cm，外徑6cm，外貼刻度紙最小刻度為1mm ;床面3采用粒徑為0. 70mm 的均勻石英砂平鋪而成，石英砂密度為P s= 2. 64g/cm3,鋪沙厚度為15cm，鋪沙段前后兩端 分別設(shè)置水流漸變導(dǎo)板4和床沙擋板5,每次試驗前床面3均重新鋪平。
[0032] 試驗水深h選擇12cm和15cm兩種，上下游橋壞間距d選取0?15倍桿徑，共進 行141組試驗，工況參數(shù)如表1所示。每組試驗開始時，為防止試驗初期水流破壞床面的平 整形態(tài)，在試驗開始前通過水累預(yù)先向水槽內(nèi)緩慢注入小流量水體，達到潤濕泥沙并保護 床面初始形態(tài)的目的。之后通過水累、閩口及底坡的調(diào)節(jié)獲得恒定均勻流；每組試驗持續(xù) 沖刷5個小時，沖刷近似達到平衡；試驗中流量Q用超聲波流量計進行測定，測量誤差小于 5%，垂線平均流速U采用聲學(xué)多普勒流速儀（ADV)在距離水面0.6化處測量獲得。形成沖 刷坑后，通過橋壞處床面對應(yīng)刻度的變化進行沖刷坑深度的測量。
[0033] 為了分析雙壞柱條件下上下游橋壞局部沖刷特性與單壞柱沖刷特性的差異，首先 通過單壞柱試驗驗證試驗系統(tǒng)的可靠性，然后對雙壞柱情況按照不同壞間距進行試驗，分 別觀測上下游壞柱的局部沖刷情況，分析其與單壞柱的差異。
[0034] 單一壞柱的沖刷特性實驗驗證試驗系統(tǒng)合理性的結(jié)果如圖3所示，可見單一壞柱 沖刷特性與經(jīng)典成果化e-Meng化iew公式吻合較好，其具體形式如式（1)所示，需要說明 的是由于該里采用的是石英砂而非天然沙，泥沙的物理特性不同，此處公式（1)中的系數(shù) 比化e-Meng化iew提出的公式系數(shù)偏小。
[003引 ^ = 2.865 若-1.332 (1)
[0036] 其中屯為沖刷坑深度，D為橋壞壞徑；U為來流垂線平均流速，U。為傳統(tǒng)定義的清 水沖刷到動床沖刷的臨界值，即泥沙起動流速，此處采用沙莫夫公式進行計算，具體形式如 下：
[0037]

【權(quán)利要求】
1. 一種雙墩柱局部沖刷特性的確定方法，其特征在于：在可變坡循環(huán)玻璃水槽中進行 簡化模型試驗，通過改變上下游墩柱間距及水流條件設(shè)置試驗工況，以上下游墩柱局部沖 刷坑深度為特征參量，分析不同間距條件下沖坑深度?水流強度的關(guān)系與單墩柱條件下的 區(qū)別，進而具體分析上下游墩柱沖刷特性。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雙墩柱局部沖刷特性的確定方法，其特征在于：將不同
單墩柱沖刷規(guī)律偏離程度間的不同進行分區(qū)： 1) 床面平整區(qū)：整個床面均無沖坑形成； 2) 同步?jīng)_刷區(qū)：上下游墩柱同時開始形成沖坑，且符合單一墩柱沖刷特性，這時上下 游墩柱的沖刷特性均可由下式描述：
式中，4為沖刷坑深度，D為橋墩墩徑，U為來流垂線平均流速，U。為泥沙起動流速； 3) 偏離過渡區(qū)：下游墩柱沖坑深度小于相同水流條件下單墩柱沖坑的深度； 4) 完全偏離區(qū)：下游墩柱沖刷特性重新回歸到線性規(guī)律，且其點據(jù)分布與公式（1)的 直線呈平行關(guān)系，這時下游墩柱的沖刷特性可由下式表示：
其中常數(shù)A與墩間距相關(guān)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雙墩柱局部沖刷特性的確定方法，其特征在于：采用外 貼刻度紙的光滑透明圓柱形有機玻璃管模擬橋墩墩柱，將粒徑均勻的石英砂平鋪形成床 面，鋪砂段的兩端分別設(shè)置水流漸變導(dǎo)板和床沙擋板，通過水泵、閘門及底坡的調(diào)節(jié)在水槽 內(nèi)獲得恒定均勻流，用超聲波流量計測量流量Q，用聲學(xué)多普勒流速儀測量垂線平均流速 U，通過橋墩處床面對應(yīng)刻度的變化測量沖刷坑的深度。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種雙墩柱局部沖刷特性的確定方法，其特征在于：所述變 坡循環(huán)玻璃水槽長12m，寬0. 42m，高0. 7m，其試驗段長6m設(shè)置在水槽中部；所述有機玻璃 管高70cm，外徑6cm，外貼刻度紙最小刻度為Imm;所述床面的石英砂粒徑為0. 70mm，密度為 Ps= 2. 64g/cm3,鋪沙厚度為15cm，每次試驗前床面均重新鋪平；試驗水深h選擇12cm和 15cm兩種，橋墩間距d選取0?15倍墩徑，共進行試驗141組。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種雙墩柱局部沖刷特性的確定方法，其特征在于：所述每 組試驗開始前通過水泵預(yù)先小流量注入水體，以潤濕泥沙并保護床面初始形態(tài)，然后通過 水泵、閘門及底坡的調(diào)節(jié)獲得恒定均勻流；每組試驗持續(xù)沖刷至少5個小時，認(rèn)為沖刷達到 平衡。
6. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種雙墩柱局部沖刷特性的確定方法，其特征在于：所述超 聲波流量計測量誤差小于5%，所述聲學(xué)多普勒流速儀在距離水面0. 63h處測量平均流速。
【文檔編號】G09B23/12GK104502060SQ201410729082
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年12月4日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月4日
【發(fā)明者】唐洪武, 王浩, 劉全帥, 王瑤, 劉震, 張立, 何智博 申請人:河海大學(xué)