公路水毁防治(8)——桥渡冲刷防护

Ⅱ、桥墩局部冲刷计算在河道中修建桥墩后,桥墩对水流的阻碍,引起桥墩周围水流结构的剧烈变化,在墩头前缘形成一种“下降水流”,垂直向下,猛烈冲刷床面泥沙,在墩前冲刷形成一个漏斗形的冲刷坑,称为桥墩局部冲刷。由床面起算的冲刷坑最大深度,称为桥墩局部冲刷深度。     

串列双圆柱桥墩局部冲刷精细化模拟

为研究不同墩心距下沿流向串列布置的双圆柱桥墩局部冲刷坑形态的变化规律，提出1种平衡湍流边界层模型以获得稳定的湍流来流边界条件；利用雷诺时均N-S方程和标准k-ε湍流模型求解河床上双圆柱桥墩周围的复杂绕流场；基于能考虑河床面任意斜坡和泥沙坍塌效应的泥沙输运模型和动网格技术模拟双圆柱桥墩局部冲刷的动态演化过程，得到平衡冲刷坑形态，揭示冲刷发展过程的流动特征和冲刷机理。模拟结果与中美规范局部冲刷预测结果比较表明：串列双圆柱桥墩之间存在干扰效应；受下游桥墩施扰，最大冲刷都发生在上游桥墩，冲刷深度比单圆柱桥墩大，当墩心距L与桥墩直径D之比L/D=4时，达到最大值；而下游桥墩受上游桥墩遮挡的影响，最大冲刷深度在L/D=2时达到最小值，随着墩心距的增大，下游冲刷深度增大；当墩心距大于5倍桥墩直径后，下游桥墩可不考虑遮挡效应；获得的串列双圆柱桥墩最大冲刷深度值与美国规范预测值较为接近，而中国规范公式预测值偏小，提出的下游桥墩冲刷深度遮挡因子可为桥梁抗冲刷设计提供参考。     

京沪高速铁路南京大胜关长江大桥桥墩局部冲刷及岸坡防护研究

京沪高速铁路南京大胜关长江大桥南岸坡度在1∶2左右,处于长江沿岸稳定边坡的临界状态。通过建立1∶100大比例尺正态局部河段物理模型,研究了桥墩局部冲刷坑大小尺寸,特别是南辅助墩冲刷范围,以及桥墩局部冲刷对南岸岸坡稳定产生的影响。结果表明:南辅助墩岸坡处于不稳定状态,需进行防护。同时对防护方案进行了分析。     

圆柱形桥墩周围局部冲刷的三维数值模拟

为预测圆柱形桥墩周围的局部冲刷坑形态和发展,基于计算流体动力学和泥沙运动理论开展了桥墩周围局部冲刷的三维数值模拟。首先使用雷诺时均Navier-Stokes方程和标准K-ε湍流模型对圆柱形桥墩周围三维复杂流场进行数值模拟,将床面瞬时切应力作为泥沙起动及运输的水动力学条件,计算出床底泥沙的单宽体积输沙率,以此为基础得到河床高程坐标的瞬时变化;再采用边界自适应网格技术修改动边界计算域网格,计算得到圆柱形桥墩周围局部冲刷坑的演化过程。结果表明:桥墩周围局部冲刷三维数值模拟结果与试验结果基本一致,数值模拟方法能用来预测圆柱形桥墩周围的局部冲刷情况。     

海水环境下桥墩抗冲刷技术研究

我国跨海大桥的数量越来越多,桥墩位于海水中会对海水的运动产生影响,同时海水又会对桥墩造成冲刷。为了研究海水环境下桥墩抗冲刷技术,从桥墩基础局部冲刷机理的研究入手,基于A跨海公路大桥主跨桥墩防冲刷工程,对桥墩的主动和被动综合防冲刷技术及其应用效果进行了研究。研究成果表明:根据海水运动是否带动机床泥沙运动可将海水对桥墩的冲刷分为清水冲刷和动床冲刷,当海水行近流速很小时,河床几乎不受海水冲刷,当行进流速大于v_0′时,河床受到清水冲刷作用;当行近流速大于v_0时,河床受动床冲刷;桥墩受海水的冲刷与海水行近流速和河床泥沙粒径等均呈正相关性;依据抗冲刷技术的原理不同可将桥梁墩柱的防冲刷技术分为主动防护和被动防护;对A跨海公路大桥河床的监测成果表明,基于主动防护(墩前牺牲桩)和被动防护(抛石)的综合治理方案能非常有效地对桥墩起到防护作用。     

上海长江大桥桥墩冲刷坑深度研究

在对长江口北港水沙条件以及河势进行分析的基础上,采用局部三维泥沙数学模型和局部正态物理模型2种手段预测上海长江大桥桥墩冲刷坑的最大冲刷深度,三维泥沙数学模型和局部正态物理模型的边界条件由大范围的长江口二维水流数学模型的计算结果提供.结果表明,2种手段预测得到的桥墩冲刷深度较为接近,可为桥梁设计提供科学依据.     

江顺大桥河床演变及冲刷研究

研究江顺大桥所处河道河床演变及桥墩冲刷,为工程建设方案的实施提供依据。通过原型实测资料来分析江顺大桥附近水域的水沙特点,在此基础上进行河床演变分析,针对江顺大桥工程所处河道的设计水文组合条件,采用《公路工程水文勘测设计规范》推荐的公式计算桥墩冲刷深度,并按断面平均流速、墩前行近流速和主槽流速建立动床物理模型进行桥墩的局部冲刷试验,研究桥墩极限冲刷坑的深度和范围。结果表明江顺大桥桥址处河床会缓慢回淤,物模试验与理论计算基本吻合,理论计算结果偏安全。上述研究可为江顺大桥基础设计及冲刷防护提供依据。     

桥墩冲刷的防护

本文旨在评价现有的桥墩冲刷防护方法，并提出防护桥墩周围冲刷的方案和辅助措施。采用在桥墩中开缝或在墩周围设护圈作为控制冲刷深度的措施。清水试验表明，仅用开缝的方法能减少冲刷深度２０％，而开缝结合使用护圈则可进一步减小冲刷深度。     

阿什河哈尔滨城区段桥墩冲刷计算

桥梁墩台冲刷会大大影响桥梁基础的稳定,威胁桥梁自身安全。该文在简要分析国内外桥墩冲刷研究的基础上,对桥梁一般冲刷和局部冲刷的计算方法进行介绍。根据阿什河哈尔滨城区段河道水文、水流、泥沙、地质特征和桥梁参数,选择了包达尔可夫公式对影响河道行洪较大且等级较高的公路桥梁和铁路桥梁进行桥墩冲刷计算。最后,根据计算结果对不同桥梁提出扩孔和桥墩防护措施建议。     

国内桥墩局部冲刷研究的主要成果

桥墩周围的局部冲刷是一个有建筑物条件下水流的旋涡系与土质相互作用的结果。许多科技工作者从现场实测资料、模型试验资料建立经验公式;从研究桥墩周围冲刷坑水流结构,力图从理论上建立计算公式。近年来,桥墩周围局部冲刷的理论研究、模型试验及现场实测资料的分析,不同河床质的桥墩局部冲刷计算方法,国内都有新的进展,新的计算方法。     

典型桥墩局部冲刷深度公式在不同水文地质区的适用性

由于现有桥墩局部冲刷深度计算公式的准确性和普适性不足,对代表性公式进行对比是指导不同地区桥墩基础埋深设计的有效措施。广泛收集了国内外公开的桥墩局部冲刷原型观测数据,对中国规范65-1修正式和65-2式、俄罗斯规范公式及美国规范HEC-18式和S/M式在不同水流、泥沙及桥墩参数条件下的适用性进行分析。结果表明:现有公式在清水冲刷和过渡墩条件下的预测性能较差;中俄规范公式在清水冲刷及床沙相对粒径小于25时,以及中国65-2式及俄罗斯公式在水深小于1 m时应用均不安全;美国规范公式应用于砾石及卵石河床、水深1～5 m、相对粒径小于400、相对水深小于1.4 m等工况将不经济和存在较大不确定性。将所有公式用于柴达木盆地典型桥墩的局部冲刷深度计算并与实测值进行了对比分析,将所有公式用于柴达木盆地典型桥墩的局部冲刷深度的计算并与实测值进行对比分析,发现该地区桥墩的局部冲刷深度小于其他相似水沙条件下的桥梁,最合适依据中国65-2式进行桥墩局部冲刷深度的设计。上述结果可为不同水文地质地区桥墩局部冲刷深度的合理预测提供依据。     

深海条件下海燕大桥墩柱防冲刷技术与分析研究

深海环境修建桥梁墩柱会影响该区域原有的海水运动特征,造成桥梁墩柱局部冲刷破坏。为研究和解决这一问题,以海燕大桥3~#和7~#桥墩为研究对象,在分析其基本地质和水文工程地质条件的基础上,结合现场监测方案,分析了桥梁墩台施工过程中的局部冲刷机理和冲刷深度,并且对照几种普遍的局部冲刷理论公式,提出了对应的防护技术手段。研究发现:深海条件下桥墩主要受上游径流和潮汐两种水力作用影响,并在桥墩两侧产生尾流旋涡和冲刷坑;监测结果表明在桥墩施工期间水流规律紊乱,施工后期水力对河床冲刷速率基本稳定在4mm/d,在监测周期8个月内,3~#、7~#桥梁平均冲刷深度分别为2.23,1.82 m,仅达到理论冲刷深度的8%~10%,说明在桥梁运营中河床还会受到局部冲刷作用;此外,本文提出了针对深水环境下结合主动防护和水流动能减速两类防护技术方案,以期为深海环境下桥梁墩柱的防冲刷技术提供一定参考和数据支撑。     

桥墩局部冲刷防护试验研究

在公路桥梁水毁中，有不少是因为基础埋深不够所致，如能对浅基桥墩进行局部冲刷防护加固，则可以避免或减少水毁，故此需预测桥墩局部冲刷深度和范围。１９９０年作者在西安公路学院水力实验室对陕西省石泉汉江大桥的防护进行了专项试验，对桥墩局部冲刷深度计算和冲帽防护的研究成果进行了试验与完善。     

桥墩局部冲刷扩坦防护的试验研究

分析了桥墩局部冲刷过程，通过在桥墩周围设置护坦以减小桥墩局部冲刷，并对防护效果进行了试验研究和分析，提出了设置护坦桥墩局部冲深的计算方法。     

群桩基础局部冲刷防护工程的关键技术研究

桥梁破坏多数是由洪水严重冲刷基础引起的,工程中需要采取防护措施以保证桥墩基础的安全性.提出了采用预防护和在防护区外形成有效护坦的冲刷防护理念,介绍了冲刷防护平面设计采用核心区、永久防护区和护坦区的平面分区方法,建议采用面层块石+中层碎石+底层砂袋的防护结构形式.现场监测结果表明,模型试验结果与实际最大冲刷深度基本一致,冲刷防护工程对局部冲刷起到了有效的防护作用.     

东海大桥桥墩基础冲刷防护方案研究

受长江、钱塘江来水来沙和人类活动的影响,东海大桥所在水域海床发生普遍冲刷,桥墩周围发生较大局部冲刷。为防止海床进一步冲深,保证该桥运营安全,对桥墩基础冲刷防护方案进行研究。根据自然条件和工程特点,主体防护区采用袋装碎石上层压载袋装混凝土干混料的防护方案;采用失效风险方法进行比选,确定周边防护区采用复合材料勾连体的防护方案。以该桥某桥墩为例,依据相关规范和研究成果,提出桥墩基础具体冲刷防护方案,开展先导性物理模型试验,依据试验结果及工程实际对防护方案进行优化。结果表明:铺设3层复合材料勾连体时防护结构整体稳定性更强,防护区内形成淤积,促进了防护体与海床的结合,对主体防护区稳定起到积极作用;优化后的防护方案总体能够满足桥墩基础冲刷防护要求。     

确定中间桥墩处的局部冲刷

为了确定桥墩底面最低标高,必须在一般冲刷数值上加上水流在中间桥墩环流时所发生的局部冲刷数值。局部冲刷是由于水流环绕桥墩流动时,水流结构局部改变的结果,与一般造床的机械作用无直接关系,这个事实使可能独立地研究局部冲刷,及按着冲向桥墩的水流参数确定局部冲刷数值。确定流近桥墩水流的参数,应考虑到水流与淤积的相互作用,亦即应考虑到造床过程,将局部冲刷与一般冲刷分别来加以计算是合理的,因为局部冲刷的存在,总的说来,不致使水流结构起多大变化,亦即不会引起造床过程的变化。为了研究局部冲刷现象所作详细分析,便可能对局部冲刷的机械作用形成一个清楚的概念,制定出基本原理。根据这些基本原理制出下述确定局部冲刷深度的И·А·亚罗斯拉夫采夫的计算图。当水流的以垂直线上平均流速V_o(图1)冲向中间     

河床墩台局部冲刷计算公式及其影响因素研究

在介绍国内外桥墩局部冲刷公式的基础上,以泰州长江公路大桥为例,验算了我国现行规范中的桥墩局部冲刷计算公式,分析局部冲刷的影响因素。结果表明:桥墩非黏性土冲刷公式中,65-1修正式计算结果较为合理;影响桥墩局部冲刷深度的因素有潮流作用和偏角大小。     

挡水墙局部冲刷计算公式

公路路基防水冲刷的挡水墙和桥梁上、下游的导流墙以及护岸墙受洪水冲刷时,挡墙处的水流发生变化,从水面向下直冲河床,水流状况与桥墩附近形成的旋涡相似。所以挡水墙处的局部冲刷与桥墩处的局部冲刷属同一类型。挡水墙(导流墙、护岸墙)处的局部冲刷深度计算公式则可从有关桥墩局部冲刷计算公式衍生而得。 1965年我国铁路和公路部门根据我国的实地观测资料和模型试验资料,提出了桥墩局部     

桩基非对称局部冲刷条件下土体应力变化解析解

传统桩基局部冲刷坑模型主要采用对称形态的坑体来分析,然而实际问题中局部冲刷坑体常为非对称,这使得桩基处于更不利的状态。评价桩基承载力的关键之一是合理计算冲刷坑造成的土体应力状态变化。而对于桩周形成非对称冲刷坑时土体应力变化,目前仍然没有较为完善和严格的理论分析方法。针对该问题,根据已有试验得到的非对称局部冲刷坑形态,提出非对称冲刷坑内土体应力计算的平面应变简化模型;并基于弗拉曼解在半无限空间中的应用,将冲刷坑以上土体看做荷载并引起土体内应力重分布,得到非对称冲刷坑下土体应力分布计算的平面应变解析解。通过有限元中的"生死单元法"模拟非对称局部冲刷坑的形成过程,并将有限元得到的冲刷坑内土体应力结果与解析解计算结果进行对比,验证解析解的正确性。随后基于该方法考虑桩尺寸的影响,得到非对称局部冲刷坑形成后桩周土体的垂直及水平有效应力计算方法,并与有限元计算结果进行了对比。结果表明：在考虑桩尺寸时,解析解计算结果略保守。在此基础之上,对非对称冲刷坑参数的敏感性进行分析,指出桩上、下游侧冲刷深度差值对桩周土体的应力影响较大,得到了非对称冲刷坑下桩周土体的垂直有效应力及水平有效应力差的变化规律,研究结果可为工程设计提供参考。