桥墩局部冲刷防护的石块起动.pdf

《桥墩局部冲刷防护的石块起动.pdf》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、泥沙研究2013年8月JournalofSedimentResearch第4期桥墩局部冲刷防护的石块起动江胜华，周智，欧进萍(大连理工大学土木工程学院，辽宁大连116024)摘要：桥墩局部冲刷一直是影响桥梁安全的最大自然灾害，抛石防护是最普遍的冲刷防护形式之一。在总结已有冲刷机理的基础上，分析了包括墩前河床底部流速和墩侧河床底部流速的桥墩局部流速，并给出了桥墩冲刷防护石块起动的简化公式。结果表明，墩侧河床底部流速大于墩前河床底部流速，墩侧防护石块更易走失。当行近流速小于3m／s时，可采用抛石进行桥墩局部冲刷防护，抛石直径约为0．2m；对于行近流速为

2、3—5m／s时，建议采用其它冲刷防护措施。关键词：桥梁；局部冲刷；抛石防护；石块起动中图分类号：TV871文献标识码：A文章编号：0468-155X(2013)04-0063-051引言对于桥墩冲刷应着眼于预防，避免桥墩冲刷水毁的发生。为确保桥墩的安全与稳定，有必要对桥墩周边的河床进行护底，遏制和减轻冲刷坑的形成和发展。抛石防护是路桥水毁防护工程中最普遍的防护形式之一实践证明，抛石对桥墩基础的防护效果较好，而且投资少，施工方便。另一方面，虽然模型试验和数值分。析的结果使人们对桥墩冲刷的流场和泥沙运动的规律有了更深刻的认识，但是在桥梁工程中还很难把这

3、些认识直接应用到实际的防护设计中，导致对桥墩周围的流场规律及抛石在桥墩局部流场作用下的运动特征缺乏实用的公式，造成抛石施工前对石块粒径或重量选择不准确，导致一些桥梁年年抛石，年年流失，造成防护效果低下。因此，研究桥墩周围的流场特征及石块起动具有重要的工程意义。针对桥墩局部冲刷的流场规律和局部冲刷机理，本文对于桥墩局部流场进行分析，结合石块在桥墩周围的受力特征，研究石块在桥墩周围的起动条件，推导桥墩局部冲刷防护中行近流速和石块尺寸的关系，为桥墩局部冲刷的抛石防护给出建议。2桥墩局部河床底部流速桥墩局部冲刷是指桥墩周围涡旋流产生的冲刷。桥墩周围的水流结

4、构为三维马蹄形结构，水流受到桥墩的阻挡，水面向上弯曲，一定水深以下水流倾斜向下，在床面处形成横轴环状涡旋带；绕墩水流在桥墩两侧形成立轴状涡旋。墩前横轴环状旋涡和墩侧立轴旋涡将墩前及墩侧泥沙卷起，由墩侧水流挟带至墩后下游淤积，同时在墩周形成局部冲刷坑。对于三维马蹄形旋涡，其沿河床底部切线方向的水流为泥沙冲刷提供直接的剪切应力，因此桥墩局部的河床底部流速分析是桥墩局部冲刷防护的基础。2．1桥墩前侧河床底部流速对于桥墩前侧的横轴状环状旋涡，径向流速(r)远大于切向流速(0)和竖向流速()，坐标系见图1，可认为墩前泥沙冲刷主要由于径向流速引起，即仅考虑径向

5、平面内的流速。故可将墩前横轴状环状旋涡简化收稿日期：2012-09~9基金项目：国家自然科学基金项目(51208078)作者简介：江胜华(1982一)，男，湖北仙桃人，博士，助理研究员，主要从事桥梁冲刷监测及安全评价的研究。E—mail：jiangsh@whu．edu．el63为径向平面内的二维旋涡，见图2。一，=，由于桥墩的阻水作用，墩前行近水流的局部流量会降低。基于无滑移边界和理想流体的假定，墩前行近水流的局部流量的降低为水流方向／t厂=一÷u。D(1)式中u。，为河流表面流速；D为桥墩直径。墩前横轴状环状旋涡的环量为图1桥墩局部流速坐标系F2

6、=一21rau(2)Fig．1Coordinatef0rbridgelocalvelocity式中“为墩前河床底部流速；a取0．177D。设计水《／_一一h1(a)-5蹄形旋涡Co)简化后的墩前横轴旋涡图2墩前流速示意图Fig．2Sketchofvelocityinfrontofbridgepier在桥墩迎水面的停滞点下面形成下降水流，在桥墩河床底部形成横轴状环状旋涡，与河槽水流形成三维马蹄形旋涡。假定墩前行近水流的局部流量降低和横轴状环状旋涡的环量相等，由式(1)、式(2)，可得墩前河床底部流速u=0．450u0(3)根据对数流速分布和曼宁公式，

7、可得任一点水深的流速与行近流速的关系一【+黪(t+In制(4)式中n为曼宁粗糙系数(文中针对天然河床普通壁面状况取平均值0．040)；k为卡门系数(取0．4)；h为行近流速的深度；U为行近流速；为水深Y处的流速。由式(3)、式(4)，可得墩前河床底部流速与行近流速的关系一45【¨)(5)由指数型流速分布公式=n(、h)，(6)式中n为与河流特性有关的常数，一般为5～9，本文取=6；U为行近流速。由式(3)和式(6)，可得墩前河床底部流速的近似值“=0．525U(7)2．2桥墩两侧河床底部流速对于墩侧的马蹄形旋涡，切向流速(0)远大于径向流速(r)和

8、竖向流速()，坐标系见图1，可认为墩侧泥沙冲刷主要由于切向流速引起，即仅考虑切向平面内的流速，且进一步将其简化为理想不可压