考虑端部形状影响的矩形桥墩局部冲刷试验研究

文章以宽度相同、长度不同的矩形桥墩为研究对象,考虑矩形、圆端形、三角尖形3种典型端部形状,在铺设10 cm等厚定级配沙的矩形长直水槽内进行不同流速下桥墩局部冲刷室内试验,量测不同时刻桥墩周边测点流场、墩周冲刷坑深度等参数,结合基本理论对桥梁基础局部冲刷进行研究。结果表明：圆端形和三角尖形端部桥墩墩前下降水流和墩周马蹄形涡流强度较矩形端部小;在相同条件下,圆端形端部桥墩最大冲刷坑深度相对于矩形端部桥墩减小34.9%,而三角尖形端部桥墩最大冲刷坑深度相对于矩形端部桥墩减小66.7%;在保证矩形桥墩长宽比L/B≥2的前提下,当弗劳德数Fr≤0.111时L/B越小,墩周冲刷破坏程度越小,而当0.148≤Fr≤0.185时则相反。根据河道不同流速合理选择墩型,能够更好地预防冲刷破坏。试验结果可为桥墩局部冲刷设计提供参考。     

水流强度对淹没式方桩局部冲刷特性的影响

为研究不同水流强度作用下淹没式方桩的局部冲刷特性及流场变化,开展了非均匀沙条件下的桩基局部冲刷试验,分析了桩周的冲刷地形、冲刷深度变化规律;利用OpenFOAM对不同水流强度下的桩周流场进行了模拟,讨论了桩前马蹄涡、桩周回流和下降水流的分布特点。结果表明:在清水冲刷条件下,桩周的冲刷坑深度、沙丘高度和受冲刷影响区域大小均随水流强度的增大而增大;在平衡冲刷地形下,高水流强度冲刷后桩周流动更加复杂,冲刷坑内的涡流强度大幅度提高;当水流强度接近1时,粗颗粒泥沙对细颗粒的屏蔽效应会在一定程度上影响桩周最大冲刷深度。     

结构形式对桥墩局部冲刷三维性态发展的影响

选用基于动网格自更新技术的三维CFD冲刷模型,可以解决既有一维、二维计算研究方法的局限性以及准确性问题,对桥墩冲刷以及周边流场三维性态进行全过程动态跟踪分析.首先采用经典B.W.Melville实验环境以及实验数据,分别从流场、流速以及冲刷坑进行冲刷模型的准确性验证.进而利用该数值模型分别对3种典型桥墩(单柱墩、双柱墩、排墩)周边河床的冲刷深度、冲刷坑形态以及冲刷影响区域进行数值分析,通过数据分析得出各自完全不同的冲刷发展趋势与性态特征.通过对比分析可以看出,桥墩结构形式对桥墩局部冲刷三维性态发展有着显著影响,区分桥墩结构形式对桥墩冲刷设计、理论分析以及长期监测方案设置具有相当的必要性与重要性.     

圆柱型桥墩绕流的流场特性实验分析

桥墩尾流中的水流的脉动是影响桥墩局部冲刷作用的动力因素之一,而水流脉动中的漩涡结构又是其主要组成部分,本论文以模型试验为基础,运用PIV技术测量了圆柱桥墩模型绕流后方流场的水平切面,在此基础上做了尾涡摆动周期验证和时均流场分析,并利用ADV测得圆柱绕流后方流速测点的三维瞬时流速,分析了圆柱后方水流的脉动主频。     

透水牺牲桩减少上下游桥墩局部冲刷深度及机理

针对工程实际中常见的上下游桥墩局部冲刷的防护问题,通过室内模型试验和数值模拟相结合的方法,研究清水条件下采用透水牺牲桩进行前墩局部冲刷防护时,透水牺牲桩填充碎石粒径和淹没率2个因素对透水牺牲桩自身和上下游桥墩局部冲刷特征的影响规律。研究结果表明：无牺牲桩防护时,上下游墩的局部冲刷深度都随墩心距的增大呈先减小后增大的规律;当墩心距为4D(D为桥墩直径)时,前墩对后墩局部冲刷的防护效果最好;相同条件下(最佳墩心距)分别采用实体牺牲桩和透水牺牲桩对上下游桥墩进行防护时,二者均能有效减小上游桥墩的局部冲刷,透水牺牲桩防护时效果更好,且自身局部冲刷深度较实体牺牲桩可减小约30%;采用透水牺牲桩防护时,当其填石粒径为0.2D～0.25D、淹没率为1时,减冲效果最好;透水牺牲桩的透水性允许部分水流从桩身内部流过,有效减小了桩前下潜水流的强度,减轻了其掏底作用,从而有效减小了局部冲刷深度;与采用实体牺牲桩防护相比,透水牺牲桩及上游桥墩两侧的最大剪切应力分别约为前者的1/2和1/4;透水牺牲桩桩后低剪切应力区的范围更大。     

铺前大桥群桩基础冲刷特性分析

为了探明跨海大桥群桩基础的冲刷特性，选取铺前跨海大桥桩径4.3 m的大直径34^#主墩，研究其群桩基础665 d的海床面变化过程.采用现场测试和数值分析方法，对基础的冲淤变化特征和流速场对冲刷深度的影响开展研究，探讨了基础局部冲刷影响因素.基于75组现场数据的线性回归模型，提出了一种估算最大局部冲刷深度的计算公式，并采用38^#桥墩实测结果来验证公式的合理性.结果表明，铺前海湾在洋流影响下，桥墩迎水面和背水面同时出现海床面冲刷现象，且迎水面冲刷坑范围与冲刷深度均比背水面大，背水面在1.2倍桩径外为倒三角形状绵长的浅冲刷区，迎水面为深冲刷区.考虑冲刷防护时，应结合水文条件在迎、背水面和没有输沙来源的侧面对桥梁基础进行防护.     

波流作用下大尺度圆柱周围局部冲刷深度简化数值模型

利用数模研究了波流共同作用下大尺度孤立圆柱周围的局部冲刷问题．该数模包括波浪场模型、流场模型、剪应力模型和冲淤形态模型．在数值计算中,通过分别求解缓坡方程和浅水环流方程得到波浪场和流场的分布情况,据此计算出水质点的底流速,得到底床剪切应力场的分布情况．可通过底面剪应力与泥沙起动应力的比较来调节底床的地形．计算了不同条件下孤立圆柱附近的局部冲刷情况,据此研究了波高、流速对局部冲刷的影响,发现最大冲刷深度随流速、波高的增大而增长．数模采用有限元方法,结果比较合理．     

涌潮水流引发的桥墩局部冲刷试验

针对河口地区桥墩等桩式建筑物在涌潮水流作用下出现的局部冲刷问题,采用物理模型试验对涌潮水流引发桥墩局部冲刷的机理以及局部冲刷坑形态变化进行研究。试验结果表明：涌潮水流引发桥墩局部冲刷过程中桥墩局部切应力逐渐衰减,潮头水流虽然引发较大的床面切应力,但是由于作用时间短,所以只造成大量泥沙起动,在后续快水阶段桥墩局部冲刷迅速发展;涌潮强度和弗劳德数越大,桥墩局部冲刷越强烈;不同截面形式的桥墩,方形桥墩在局部冲刷坑发展过程中,由于涌潮水流下切强度更大,引发了较强的涡系结构,导致迎水面冲刷比侧面绕流冲刷更强烈,圆形桥墩迎水面和侧面冲刷程度相差不大;方形桥墩进行不对称旋转时产生的冲刷深度比对称旋转时大。对试验数据进行多元回归分析后得到涌潮水流引发桥墩局部冲刷的综合计算公式,验证结果表明该公式具有较好的预测精度,与试验值最大误差不超过12%。     

浅谈乱石坝根石走失的成因与防护措施

一、根石走失的原因 （一）水流条件的关系 （1）乱石坝周边水流形态与冲刷坑深度。黄河下游乱石坝大多数是非淹没的下挑丁坝,丁坝对近岸水流流速场干扰很大,由于水流在坝前受丁坝所阻,迎水面水位升高,形成上回流及下降水流。下降水流与主流合并成为螺旋流,这是造成坝前冲刷坑的主要原因。下回流的形成是水流过坝时的扩散离解造成的,水流过丁坝以后,由于单宽流量和近底流速的加大,在最大底流速区形成冲刷坑,     

强潮山溪性河口围垦后桥墩最大冲刷深度研究

山溪性强潮河口围垦工程的实施束窄了河口的行洪通道,由此可能降低河口固有涉水建筑物的安全稳定性.为此,在就河口围垦对桥墩冲刷影响进行初步分析的基础上,利用平面二维嵌套潮流数学模型以及一般冲刷和局部冲刷的半经验半理论公式,就霍童溪河口围垦工程实施之后下游云淡大桥桥墩的可能最大冲刷深度进行计算,结果表明,围垦工程实施后,洪水期间云淡大桥的桥墩冲刷还是相当严重的,有必要对桥墩采取相应的防护措施.此外,通过对桥墩最大冲刷深度的影响因素进行探讨,指出实际桥墩冲刷深度一般还是难以达到计算所得到的可能最大冲刷深度.     

翼型宽尾墩后河床冲刷机理研究

对溢流坝段闸墩尾部型式进行了试验研究,特别对翼型宽尾墩引起的挑跌水流作用于河床上的动水压特性、挑距及冲刷范围随平均流场参数变化的规律作了探讨。并将定床试验的力学特性与动床试验的冲坑特性之间的关系作了初步研究,给出了冲坑深度与范围的计算方法。     

桥墩局部冲刷研究进展

阐述桥渡冲刷的分类及局部冲刷机理,总结局部冲刷深度的影响因素及局部冲刷的研究方法与现状,指出局部冲刷研究的难点、面临的挑战及今后的研究方向,为桥墩局部冲刷机理及冲刷深度预测提供参考。     

北洺河大桥桥墩布设对河道防洪安全的影响

拟建北洺河大桥所处河段为大曲率弯道,且受地形条件限制,桥梁中心线呈大角度扇形布设。曲线桥梁与弯道水流交会,水流条件尤为复杂。为研究北洺河大桥斜穿弯道河流情况下桥墩布设对河道冲刷及防洪安全影响,设计制作了1:60正态物理模型,开展不同洪水重现期下曲线大桥斜穿弯道河流河工模型试验研究。试验结果表明:受桥墩布设交角及弯道水流的共同作用,原设计方案不同重现期洪水工况下均加剧了桥位处河道右岸的冲刷,最大冲刷深度3.54 m,威胁堤防安全;水流顶冲右岸产生壅水,最大壅水高0.48 m;桥墩布置对下游河道的影响范围264 m。适度调整7号桥墩与水流夹角,同时对右岸河床铺设宾格石笼,控制最大冲刷深度减小到1.68 m,有效改善了桥墩与堤防间的水流流态,优化方案保护了行洪安全。     

高低刃脚异形钢围堰水力作用数值研究

建造桥梁深水桥墩多采用围堰施工,作用于围堰的水荷载是控制围堰结构设计及其下沉施工安全性和稳定性的关键因素,当前设计规范对围堰水力作用的考虑十分粗略。为探明某桥墩高低刃脚异形钢围堰施工过程中的水荷载特征,采用计算流体动力学方法分析围堰绕流流场,基于河道横断面地形资料足尺构建三维流体域,运用重叠网格技术高效建模模拟钢围堰下沉过程。研究结果表明,围堰两侧存在局部流动加速且呈不对称分布,围堰深水侧水流速度相对更大,围堰下方下游侧流速随河流深度增加呈降低趋势;围堰外表面压强除迎流侧为正压外,其余大部分均为负压,各区域负压随着下沉深度增加而逐步增大;下沉初期绕流场受围堰及护筒双重影响,随着围堰逐渐下沉至河床底,护筒影响逐步消失;流场各区域湍流强度随着下沉深度的增加整体呈现出先增大后减小的变化规律,最终最大湍流强度区域稳定于堰尾。围堰阻力系数及侧向力系数几乎不受来流流速影响,进一步验证了其无量纲性;阻力及侧向力随来流流速增大而增大;阻力随入水深度增大而增大,侧向力也整体表现出类似规律,但在入水深度8 m处受围堰异形区段三维流动效应影响,出现侧向力局部极小值的反常现象。     

上游行近水深对桥墩冲深影响的探讨

桥墩冲深计算是桥墩设计中的一个重要方面,而其本身受众多因素影响。目前争议较多的是水深因子的作用。根据试验现象和观测数据等对水深因子的作用进行了研究,得出了冲深随水深的变化是一种多值关系,依据该结论可解释过去多种有争议的观点。并且,对丁坝的分析也得出了类似的关系     

漫水丁坝坝头床沙起冲流速研究

设计丁坝时,漫水丁坝坝头床沙起冲流速是漫水丁坝局部冲深计算的基础,迄今为止,有关这方面的研究文献所见甚少。为探索有关规律,寻找工程设计的依据,对缓流时的漫水丁坝坝头床沙起冲流速进行了尝试性的试验研究,对部分影响因子进行试验分析。研究表明：坝长及坝高增加,起冲流速减小,局部冲深增大;床沙中值粒径及水深增加,起冲流速增大。在分析基础上,提出了漫水丁坝坝头床沙起冲流速的计算办法。     

丁坝群间取水建筑物局部流场及其冲淤变形的试验研究

本文结合黄河宁夏某河段丁坝群间设置取水建筑物的工程实际,采用正态动床模型,研究了丁坝群掩蔽条件下取水建筑物附近的流场特性及其局部冲淤变形规律.研究表明,丁坝群间设置取水建筑物,其局部流态及冲淤变形主要受到丁坝间回流及坝后扩散主流的控导.现状条件下,取水建筑物前流态不受回流的影响,回淤泥沙不危及取水安全,而扩散主流顶冲取水建筑物,形成较大局部冲刷;设置上挑式淹没构筑物,可极大减轻局部冲刷,比较了几种上挑式减冲设施,得到了较优化的体型及上挑角;合理下延上丁坝可有效发挥丁坝对水流的控导作用,既可形成有利的取水态势,又可减小顶冲作用,有效缓解局部冲刷.研究成果可为类似的工程实际提供参考.