透水框架在桥墩周围的防护方法研究

透水框架在桥墩周围的防护方法研究

目前，我国主要的措施是缓解抛石防护和民用织物压力。其中抛石防护的技术要求较高、整体性较差、运用中的维护费用和工作量较大,特别是沙质河床平顺抛石的稳定坡度必须满足三个条件:①不小于河床土质在饱和情况下的稳定坡度;②不小于坡石在水流中的临界休止角;③保证个别块石在斜坡上不被水流冲动。土工织布上加压载方法,以其与地形适应性好,整体性抗冲能力强等优点被越来越多的采用。但是该方法的不足是,施工较为复杂,当水下地形较陡时,抛护效果不是很好。基于上述防护方法的不足,研究新型、有效、经济的防护方法来代替传统的防护工程措施具有重要的现实意义。四面体透水框架防护是路桥水毁防护工程中新型的防护型式,是为堤岸防护而研制的,在江西省长江南岸和洲头已试用成功。研究证明,四面体透水框架比传统的实体材料经济实用,可以在床面上按需要布置移动,重复使用,又可以实现工厂标准化生产,对基脚的防护效果较好,而且投资少,施工方便。将这种透水框架布设在桥墩周围构成防护工程,当含沙水流通过滩面上的框架群时,可以降低流速,使泥沙落淤在滩面上。四面体透水框架抛投防护方法在护岸工程中进行过试验研究,但关于桥墩附近四面体透水框架抛投防冲效果的研究还没有。因此,本文针对四面体透水框架的防护特点通过河工水槽进行了桥墩附近四面体框架抛投防冲效果的试验研究,得到了一些有价值的结论。1桥墩冲刷形成原因桥墩是一个阻水建筑物,从投建到使用,桥墩周围的水流结构和冲刷发展过程一直是很有工程价值的问题,已有的研究表明,桥墩周围的水流结构主要包括墩前向下水流,墩前水面涌波和尺度很大的旋涡体系(其中包括在墩前冲刷坑边缘形成的绕桥墩两侧流向下游的马蹄形旋涡和桥墩两侧水流分离引起的尾流旋涡,如图1所示)。桥墩迎水面的竖直对称轴上,水流的行进流速为0,转化为驻点压力,驻点压强为0.5ρV2(其中ρ为流体密度),流速沿垂线自水面向下减小,墩前向下的压力梯度使水流向下流动,向下的流速沿水深变化,驻点压力不仅引起水流向下流动,而且还导致出现桥墩两侧绕流的侧向加速度。因此,引起桥墩冲刷的主要原因:一是由于桥墩阻水使得墩前局部水面雍高,从而产生垂向水流下切河床;二是由于桥墩阻水形成侧向绕流产生马蹄形旋涡淘刷两侧床面。根据模型试验资料可知,桥墩局部冲刷深度hb与桥墩上游来流流速V(以垂线平均流速表示)有关。当流速V增大到一定数值时,桥墩迎水面两侧的泥沙首先被冲走,局部冲刷坑开始出现,此时的V称为起冲流速V′0。当V0>V>V′0(V0为起动流速)时的冲刷条件称为清水冲刷。当V增大到V>V0时的冲刷条件称为动床冲刷。当冲刷坑内的泥沙补给率与输出率趋于平衡时,则冲刷趋向平衡冲刷深度即极限冲刷深度。根据下文分析可知,四面体框架群能够遏制或减少旋涡形成,改变桥墩附近水流结构,从而达到防冲促淤的目的。2模型比尺及模型沙的选择物理模型研究包括定床和动床两部分,考虑到桥墩冲刷主要为推移质泥沙,所以物理模型设计中主要考虑推移质输沙相似。推移质泥沙模拟设计按要求一般应满足几何相似、水流和泥沙起动相似及河床冲淤变形相似,本模型特别考虑以下因素:(1)模型应做成正态,即αL=αH(其中αL为模型平面比尺,αH为模型垂直比尺)。在变态模型内,垂线流速分布不相似。而对于桥墩冲刷问题,垂线流速分布变化对沙粒的落淤有较大影响。(2)水流运动方面,由于模型模拟范围较小,在确保桥位断面各墩位处水位和流速与原型相似的前提下,忽略阻力相似条件。但为了保证水流的纵向和横向运动相似,要求满足佛汝德定律,即αV=αH1/2(其中αV为流速比尺,αH为模型垂直比尺)。(3)模型比尺与模型沙的选择,根据赣江南昌河段生米大桥桥位附近的水流条件和河床质条件进行确定。考虑到冲刷过程的粗化以及主桥区河床质偏粗的特点,取d50=0.5mm作为大桥桥位区域的河床质中值粒径。经分析其湿沙容重γ′0=1.60t/m3,淤积干容重γ′=1.40t/m3。另外,在现有的护岸工程中,空心四面体框架一般是由6根长1.2m、断面0.1m×0.1m的混凝土杆件拼接而成的整体结构。综合以上因素并根据研究任务及试验条件的限制,模型几何比尺选定为1∶60。试验采用长30m、宽3m、深1.2m的矩形断面水槽,分别模拟桥墩附近180m宽的河床,试验的有效段为中间的10m,前10m为进口消力池和过渡段,后10m为过渡段和沉沙池及尾门,流量由量水堰控制,水位由尾门控制,由测针读数确定水位,在桥墩模型前面有流速仪测量水流行近流速,系统布置见图2。选用中值粒径d50=0.63mm的木屑作为模型沙,这种经过防腐处理的模型沙经实验分析得其密实干容重γs=1.15t/m3,湿沙容重γ′0=0.60t/m3,淤积干容重γ′=0.48t/m3,级配曲线见图3。模型沙铺在模型选用中中间10m的动床有效段内,厚30cm。试验采用连续抛投四面体框架形式,抛投区间为无防护冲刷时冲刷坑范围,如图4所示。冲刷历时3h达到平衡,冲刷完成后用水准仪进行地形测量。试验采用循环水系统,由矩形薄壁量水堰监测流量,而且满足矩形薄壁堰测量的流量与水槽断面实测流量的相对误差小于3%。试验所采用的圆头矩形柱墩的尺寸如图4所示,采用如图5所示尺寸的四面体框架。3局部冲刷坑深度t为了比较和检验模型试验的成果,特采用我国铁道部科学研究院推荐的65-1改进公式,对上述桥墩墩前冲刷坑的深度进行了计算,计算条件是床面有输沙(浑水冲刷),具体计算公式(65-1改进公式)如下:hs=κξ?κη1B0.6(V0−V′0)(V−V′0V0−V′0)n(1)hs=κξ?κη1B0.6(V0-V′0)(V-V′0V0-V′0)n(1)式中hs为桥墩局部冲刷坑最大深度,m;κξ为墩形系数,查墩形系数表得κξ=0.98;κη1为系数,κη1=0.8(1d0.45+1d0.15)；κη1=0.8(1d0.45+1d0.15)；V0为河床泥沙起动流速,按沙莫夫公式V0=4.6d13h16V0=4.6d13h16计算;V′0为墩侧河床泥沙起冲流速,V′0=0.462(dB)0.06V0V′0=0.462(dB)0.06V0;n为指数,n=(V′0/V0)0.25d0.19;B、d、h分别为墩宽、泥沙粒径、水深。经计算,当主桥墩纵轴线走向与行近水流方向一致、行近水流深度为0.212m、行近流速为0.219m/s时,无防护措施的最大冲刷深度为11.2cm。4面体框架尺寸所谓的“四面体透水框架抛投防护方法”就是模拟抛石防护方法,用由六根规定尺寸的混凝土杆件构成的正四面体框架代替石料,进行抛投防护的方法。考虑到试验水槽较宽,水深较大,框架本身尺度和堆放范围较小,框架透水能力较强,而且经计算满足框架群在过流断面上的投影与过流断面的最大比值小于2%,故忽略框架堆放高度对桥墩段的过水面积和水位流量的影响。为了研究所抛投的四面体框架的数量,相对于桥墩的位置,以及四面体框架堆高对冲刷坑形态的影响,采用相同的稳定流速和水深,分别进行了4组模型试验。试验结果见表1。4.1面体透水框架群由试验观测可知:①在无任何周边防护措施时,冲刷坑的深度最大达到12.9cm,冲刷范围最广(见图6(a))。②当在桥墩周围10cm范围内投放1～2层,10～20cm范围内投放1层共计1000个四面透水体透水框架时,模型主槽水面流速约为21.0～22.3cm/s,框架群内的流速10.1m/s,明显小于主槽流速。随着放水时间的延续,框架群内的泥沙淤积面逐渐抬高,形成较明显的滩地。放水历时2小时10分时,泥沙淤积面已全部覆盖四面体透水框架群。停水后观测到,四面体透水框架在水流的冲击下,除了最上游的少量框架受水流顶冲发生位移外,其它部位的框架仍保持原来摆放的位置。由此可见,受框架群的影响,泥沙淤积速度很快,落淤的泥沙对框架也起到了固定作用。冲刷坑最大深度与原始床面高差为-3.2cm,冲刷范围也随之减小到(见图6(b))。③当在桥墩周围10cm处投放2～3层,10～20cm范围内1层共计1400个四面体透水框架时,模型主槽水面流速约为21.2～22.5cm/s,框架群内的流速9.7m/s,明显小于主槽流速。水流在穿过布置有框架的防护段时,流速受阻而减弱,水流平稳,泥沙落淤并形成滩地。随着放水时间的持续,防护段内的地形逐渐淤高,放水历时1小时50分时,大部分淤积滩地已埋没框架群,停水后观察,桥墩迎水面处的框架已被全部埋没。实测淤积处滩地与原始床面的最大高差为2.2cm,(见图6(c))。④当在桥墩周围10cm处投放3～4层,10～20cm范围内1层共计2000个框架时,主槽水面流速约为21.5～22.3cm/s,框架群内的流速8.3m/s。放水历时1小时40分时,大部分淤积滩地已埋没四面体框架,停水后观察,无冲刷坑出现,同时在四面体框架抛投范围内,出现更大程度的泥沙淤积,实测淤积处滩地与原始床面最大高差为3.3cm,(见图6(d))。4.2面体透水框架群加速淤防冲技术以上试验成果表明:①桥墩局部冲刷首先从墩头两侧开始的,然后冲刷坑深度逐渐增加,冲刷坑的范围逐渐变大。由于冲刷坑的出现,水流在冲刷坑上游边缘发生分离,进而在墩前冲刷坑边缘形成绕桥墩两侧流向下游的马蹄形旋涡,马蹄形旋涡沿桥墩向下游发展并逐渐衰变为水流的紊动。因为尾流旋涡能使上游来沙落淤在桥墩尾部,而且淤积量比较大,故没有对墩尾附近的床面进行防护(见图4)。②桥墩局部冲刷深度hb与上游来流流速V(以垂线平均流速表示)有关,减小墩前行进流速能够减小冲刷坑的深度。四面体框架群即有较强的透水性又有一定的阻水能力,通过在框架群内设置流速井测得所抛投的四面体透水框架群能减小墩前行进流速达40%～60%,这样墩前行进流速V不能够增大到一定数值,使得水流在桥墩周围的绕流有所减缓,从而使得桥墩墩头迎水面处的行进流速和流向的变化就不那么剧烈了,在墩前形成的绕桥墩两侧流向下游的马蹄形旋涡的强度也减弱了。破坏了局部冲刷坑生成的水流条件。③四面体透水框架群使原来顺直流动的水流受到桥墩阻挡产生的水面雍高减小,很大程度上抑制了垂向流动的产生。因而水流对桥墩周围的床面产生的下切淘刷力也有所减弱,保证了桥墩迎水面两侧床面上的泥沙不被冲走,从而抑制了局部冲刷坑的出现。④由三组防护试验证明,四面体透水框架群减速促淤防冲效果,除了与水沙条件等有关外,还与所抛投的四面体框架的数量、布设的疏密程度和防护的范围有关。抛投的四面体框架的数量越多,布设密度越大,效果越明显。特别是在无防护冲刷时的冲刷范围内进行抛投时,防护效果显著。⑤工程中,空心四面体框架一般由6根长1m、断面0.1m×0.1m的混凝土杆件拼接而成的整体结构,单个的四面体透水框架重心较低,重量大,具有良好的