复杂边界条件下桥墩冲刷的试验研究

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1、泥沙研究2013年2月Journa1ofSedimentResearch第1期复杂边界条件下桥墩冲刷的试验研究赵嘉恒，张耀哲，李敏(西北农林科技大学水利与建筑工程学院，陕西杨凌712100)摘要：本文阐述了弯道中的流速分布，进而求得了弯道中的一般冲刷，通过对弯道中的斜交桥水流偏转角以及过水断面宽度的求解，初步求得了河湾中斜交桥的一般冲刷的计算结果，并且通过折减系数将一般冲刷与局部冲刷联系起来，推得了在只有表面流速与水位情况下的弯道中斜交桥的冲刷深度计算公式，结合延河水工模型实验资料，验证了冲刷的折减系数，计算结果与实际吻合较好。关键词：弯道；斜交桥；桥墩；冲刷深

2、度中图分类号：TV149文献标识码：A文章编号：0468—155X(2013)ol-0014-06铁路或公路建设中线路在河谷中穿行，由于线路平、竖曲线参数的限制，使得桥梁墩台轴线常常以斜交形式穿越不同曲率不同河床比降的河流弯道，与常规的正交顺直河流相比，该类桥梁墩台所处的河床水流边界条件为各种副流相互影响的复杂系统，桥墩冲刷等相关水力设计参数的分析有诸多不确定性，给工程设计带来许多困难。对于复杂边界条件下桥梁墩台的冲刷问题，已有的研究成果有：田伟平等对弯道环流与沿河路基冲刷进行的试验研究，建立了沿河湾凹岸路基的最大冲刷深度计算公式；李付军等推导出圆柱形墩斜交桥桥

3、下水流流向偏转角度的计算公式。季日臣等通过水工模型试验，对于采用圆形桥墩、河槽没有路堤压缩的河段进行了模拟，分析了斜交桥的最大壅水值随斜交角度、跨度、墩径、宽深比的变化趋势，揭示了斜交桥壅水值变化的内在规律，并对斜交桥的壅水计算进行了理论探讨，给出桥前壅水的计算公式；杨帆针对特定河湾下不同角度的斜交桥运用数值模拟的方法对河湾中斜交桥下的水流流场进行了模拟，揭示了河湾对斜交桥下的水流偏转角的影响的规律。这方面尽管取得了不少成果，但是这些理论以及试验研究都是基于某一方面的边界条件作为研究对象来研究的，而弯道与斜交桥同时存在的却少有涉及，因此弯道中斜交桥的桥墩冲刷问题

4、仍未很好解决，本项研究主要以缓变弯道中的斜交桥的桥墩冲刷为研究对象，通过概化模式的理论分析和比尺模型的试验观测为手段开展工作，力求得到一个比较可靠的弯道中斜交桥的冲刷深度计算公式。1弯道水流的一般冲刷规律弯曲型河道的挟沙水流运动有其自身的特点，由于弯道的存在致使水流发生弯曲，表层较清的水流向凹岸，造成凹岸冲刷；从凹岸向下转向凸岸的底层流携带大量泥沙，导致凸岸淤积。这种作用致使主流不断向下游凹岸偏移，成为引起河道演变的一个重要因素。而现有的关于弯道垂线流速分布的公式有至少15种之多，李志威等通过弯道水槽及模型资料的对比验证得出张洪武公式的精度和可靠性为最高，张红武

5、等分析弯道环流的横向流速分布得到横向流速分布的指数通用公式，并假定纵向流1-Q速分布为以下形式：鲁=号，其中u表示纵向流速；U是垂线平均流速；=h／h。，h为白河床到计算收稿日期：2012-04．21作者简介：赵嘉恒(1987一)，男，河南获嘉人，硕士研究生，主要从事河流动力学方面研究。E—mail：zhaojiaheng728@126．conl通讯作者：张耀哲。E—mail：zhangyaozhe28@tom．tom14位置处水深，h。为此位置处的总水深。而关于弯道水流的一般冲刷Langbein和Leopold提出正弦派生曲线的理论，推得的一般冲刷后对应的水深

6、表达式为h=A(+cos孕)(1)式中为沿河流中心线的距离；L为一个波长的弯道长度；以弯道中心线为起点，沿R向的坐标；R。是弯顶处的曲率半径；C为常数，Engelund对明渠水流进行试验得出c=7，对环形水槽中的Couette流动，得出c=21[93，而表示泥沙动摩擦角。A为引人参数，为一不大于1的正数，根据罗索夫斯基实验资料¨对比分析近似取值在0．75～0．80之间。而已有的河湾冲刷实验表明n卜¨]，弯道段河流从弯顶开始，河床冲刷急剧增大，其中河湾中心角在40。、60。、9O。三种情况，其最大冲刷深度均发生在河湾出口断面附近，而120。时，最大冲刷深度发生在与

7、进口断面成90。的位置，于是可以将正弦派生曲线的理论进一步的修改，在中心角不大于9O。时，用出口位置代替弯顶位置，将弯道近似看作以出口断面为中心线的对称弯道，运用正弦派生曲线的理论求其水深，而如果中心角大于90。时，都看作中心角为180情况进行计算，这种算法更加合理且更贴近实际资料。2顺直河流斜交桥冲刷的一般规律通常将河流的天然冲刷和桥渡压缩冲刷统称为桥渡的一般冲刷，已经有众多专家学者针对一般冲刷提出了不同的计算公式，针对不同的河流地质情况，铁路工程水文勘测设计规范(TBlO017—99)中的64—1式¨计算值更为贴近实际资料，而由于桥墩的阻碍作用，水流绕桥墩对

8、墩周围产生的马蹄形冲坑成