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1、泥沙研究2006年4月JournalofSedimentResearch第2期桥墩沉井吸泥下沉冲刷试验研究张佰战,林桂宾,戴荣尧(铁道科学研究院,北京100081)摘要:本项试验是确定黄河长东二桥施工期间沉井吸泥下沉时,是否危及附近既有桥安全,以及设计洪水流量条件下新桥的局部冲刷深度。为探索模拟沉井通过吸泥逐步下沉及其周围局部冲刷相似的试验方法,除一般局部冲刷常用的相似准则以外,还计入了沉井重力相似、吸泥(输沙量)相似、沉井外壁摩阻相似等方面的相似准则。并研究拟定了一些论证沉井逐步下沉时对附近既
2、有桥安全影响的试验方案和判别方法。关键词:冲刷试验;桥墩沉井;吸泥下沉中图分类号:TVl31161文献标识码:A文章编号:04682155X(2006)02200542061前言新荷复线铁路黄河长东二桥桥址位于原有长东桥上游,由铁道部大桥工程局负责设计与施工。该桥拟采用机械吸泥的方法使沉井下沉,鉴于选用的桥址为距既有桥上游30m和50m二个方案,均距既有桥桥址甚近,新桥施工期间在沉井下沉过程中,是否会造成沉井外部大量泥沙向沉井内部翻沙现象,从而影响下游既有桥桥基的安全,以及新桥建成后在设计流量作
3、用下的局部冲刷深度等问题是设计和施工迫待解决的关键问题。2试验任务与要求211新桥沉井吸泥下沉对既有桥桥墩基础安全的影响基本资料及要求(1)桥墩及沉井尺寸如图1所示。(2)新桥沉井中心位于既有桥沉井中心上游,间距为30m或50m(或推荐间距)。(3)河床土壤粒径d50=0109mm。(4)流速V=1148m/s;2131m/s;3101m/s;3131m/s;316m/s。其中3131m/s为设计频率洪水时的流速。(5)床面高程为54m;57m;60m。(6)水位为62130m;63115m;6
4、410m。(7)沉井顶面高程为6110m。(8)沉井下沉过程中尽量多吸取沉井内下游侧泥沙以便造成较大的由井外向井内的翻沙现象,观测其对下游既图1桥墩及沉井尺寸有桥沉井基础的影响。Fig.1Pierandopencaissonfoundationsize收稿日期:2004212209作者简介:张佰战(1970-),男,黑龙江拜泉人,副研究员,硕士,主要从事桥渡水文计算及水工模型试验研究。54212新桥沉井基础在设计条件下的局部冲刷深度(1)设计水位为65m。(2)一般冲刷后主槽床面高程为5016m
5、。(3)一般冲刷后墩前行近流速为3131m/s。3模型设计、试验方案、仪器设备311系列模型比尺设计按照常规,桥墩局部冲刷试验均在玻璃水槽内通过断面模型单墩试验确定局部冲刷深度。本项试验沉井尺寸较大(<=1412m),且河床泥沙粒径较细d50=0109mm,故采用系列模型试验。按桥墩局部冲[1,2]刷相关参变量推导得出的模型相似比尺关系如下n(hb)mP(hb)p=λh(1)式中(hb)m为模型局部冲刷深度,(hb)p为原型局部冲刷深度。其中仅有(hb)p与n二个未知数,因此从理论上证明只需采用
6、二个不同的模型比尺λh1与λh2,分别在二种比尺的模型上试验其相应的局部冲刷深度(hb)m1与(hb)m2,然后在双对数纸上延伸至λh=1,即可得出(hb)p值。根据天然桥墩及沉井的尺寸、水流与河床泥沙粒径等方面的资料,以及模型试验设备等方面的条件,确定两组模型比尺为λ:h1=45λ;h2=100。鉴于天然河床泥沙粒径为0109mm,按理采用系列模型法试验沙也应选用d50=0109mm,但选用d50=0109mm的试验沙在试验时常因泥沙粒径太细存在不同程度的板结情况而导致局部冲刷hb值出现不稳定
7、现象,而且有时差别较大。目前科研水平上无法明确分析泥沙板结现象对冲刷的影响程度,虽然有文献介绍泥沙粒径d50>0105mm时没有粘性,但从大量泥沙起动流速的试验资料分析结果来看,当泥沙粒径d小于012mm左右时,泥沙的起动流速不但不继续减小,反而呈不断增大的趋势,这种现象就反映了泥沙粘结力的抗冲影响。而当d较小时,即或是在同一种粒径的情况下,泥沙的颗粒之间(特别是在河床的表层)也因含有不同的有机成分或承受不同的水压力和承压时间不同、干涸时间不同可能出现不同的板结程度,目前只能权且认为这种板结程度
8、是随机的。为避免这种板结现象对局部冲刷深度造成的不稳定影响,试验按照起动流速相似原理选用了与d50=0109mm的起动流速(H=20cm时V0=2518cm/s)相近而粒径较粗的泥沙d50=0136mm(起动流速H=20cm时V0=2619cm/s)作为试验沙,但要[3]求模型沙粒径级配与原型相似,研究资料表明,泥沙粒径的均匀程度对桥墩局部冲刷的影响甚大。312沉井重力相似设计本项试验要研究沉井在施工期间吸泥下沉的运动过程及其对河床冲刷的影响,所以应考虑沉井模型与原型的重力相似条件。根据重力相似
