桥墩局部冲刷机理的探讨和65—2公式的改进

一、前言桥墩局部冲刷65-1公式和65-2公式是1964年中国土木工程学会“桥渡冲刷学术讨论会”推荐的生产试用公式。此后两式载入铁路、公路有关规范。多年生产实践表明,两式结构较为合理,基本上反映了冲刷深度与流速间的变化关系,考虑因素较全面,计算结果较为稳定     

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。     

对计算桥墩局部冲刷65-2原式与修正式的评估

介绍了计算桥墩局部冲刷65-2原式与修正式的结构形式、公式建立的分析方法，简述国内外关于桥墩局部冲刷研究的现状与发展趋势。从不同概念与主要分歧入手，对两个公式进行了评估，用实桥观测资料进行了验证，明确了精度。     

粘性土桥墩局部冲刷计算

从分析实测的粘性土桥墩局部冲刷深度资料及遵循因次和谐的原则出发,得出了粘性土桥墩局部冲刷计算方法,它具有因次和谐及在h_p/b_1=3.0处连续的特点。用既有铁路线的粘性土桥墩局部冲刷深度实测资料验证表明:计算值与实测值基本一致。     

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。     

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。     

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。     

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。     

钱江四桥桥墩局部冲刷试验研究

桥墩局部最大冲深和冲刷部位是桥墩墩台设计和施工的重要参数，为此应用系列模型延伸法进行不同比尺的桥墩冲刷深度试验，然后利用试验数据进行回归分析，得到桥墩冲深计算式，经检验与实测基本相符，为桥墩设计和施工提供了科学依据。     

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。     

沿河路基局部冲刷深度计算研究

在对沿河路基局部冲刷影响因素如水流条件、河床沙条件和河流几何边界条件等进行分析的基础上，通过野外模型试验，观测了河流各断面的水深、流速、护墙的冲刷深度和冲刷的发展过程及护墙附近的水流形态。针对弯道凹岸沿河路基的冲刷，对比分析了已有的局部冲刷深度计算公式，采用量纲分析和多元线性回归的方法，建立了设置护墙后的沿河路基弯道凹岸局部最大冲刷深度的计算公式。依托模型试验，对护坦的减冲作用进行了定量分析；根据试验观测结果，采用回归分析方法，得到了设置护坦后的路基局部最大冲刷深度的计算公式。研究成果可供在确定路基冲刷防护工程结构形式和基础埋深时参考。     

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.     

天兴洲大桥2号墩浮运围堰施工冲刷计算分析研究

针对天兴洲大桥2号墩浮运围堰施工冲刷,采用现行规范中的桥渡冲刷计算原理进行计算分析,初步认识冲刷计算式的结构特性;进行局部冲刷水槽试验,进一步深入研究分析行近水深、行近流速以及围堰入水深度对浮运围堰冲刷的影响;利用冲刷计算与试验结果,为2号墩浮运围堰施工期安排提供有力依据.     

基于动力特性识别的桥墩冲刷状态分析

为提高桥墩冲刷深度监测的经济性与便利性,提出一种基于动力特征识别的桥墩冲刷状态分析理论。该理论首先基于结构自振频率与振型,对其合理筛选后转换得到能反映桥梁状态的结构柔度矩阵,基于该结构柔度矩阵得到反映关注方向结构刚度的"计算结构位移差",将其作为桥墩冲刷识别参数。进而利用参数分析得到该冲刷识别参数与不同桥墩冲刷深度之间的理论定量关联,同时利用桥梁检测时获得的结构实际动力特性和实际取值,以及预先得到的"计算结构位移差"与冲刷深度之间的关系进行反演计算,得到了桥墩冲刷此时的反演深度。最后以简支梁桥为示例,基于American Petroleum Institute(API)规范所推荐的计算公式建立多方向的桩土弹簧模型,利用逐步移除相应弹簧单元模拟桥墩冲刷行为,演示了所提出的基于动力特性识别的桥墩冲刷状态分析理论的具体应用方法与步骤,并给出该方法的应用前提。研究结果表明:反演得到的桥墩冲刷深度具备一定的准确性,而多桥墩之间的耦合性可利用拟合公式进行修正;该方法可借助常规桥检项目对桥墩冲刷状态进行定性及定量分析,具备计算逻辑严密准确、监测设备便利经济的优点,在动力特征准确识别的基础上,可准确预测桥墩冲刷深度。     

天兴洲大桥2号墩浮运围堰施工冲刷计算分析研究

针对天兴洲大桥2号墩浮运围堰施工冲刷,采用现行规范中的桥渡冲刷计算原理进行计算分析,初步认识冲刷计算式的结构特性;进行局部冲刷水槽试验,进一步深入研究分析行近水深、行近流速以及围堰入水深度对浮运围堰冲刷的影响;利用冲刷计算与试验结果,为2号墩浮运围堰施工期安排提供有力依据.     

某跨海大桥桥墩基础冲刷试验研究

桥梁水毁的最重要原因是桥墩冲刷,正确预测桥梁的冲刷深度能为基础埋置深度的确定提供理论依据。目前国内外对于复合桥墩在实际海洋潮流和不规则波浪联合作用下冲刷深度的计算精度还有待提高,因此进行物理模型试验来确定桥墩冲刷深度就显得尤为重要。根据数值计算提供的水流边界条件,利用正态模型试验的方法,测量往复流及不规则波和往复流共同作用下跨海大桥桥墩基础最大冲刷深度,通过对比试验的方法研究了水流与桥墩不同夹角对不同型式桥墩冲刷的影响以及波流共同作用下的桥墩最大冲刷深度,从而为工程建设的安全性和经济性提供有力的技术支撑,同时也可为同类型其他桥梁冲刷物理模型试验提供参考。     

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。     

温州瓯江北口大桥中塔沉井冲刷防护技术

温州瓯江北口大桥主桥为(215+2×800+275)m的三塔双层钢桁梁悬索桥,中塔采用沉井基础,沉井顶平面尺寸为66.0m×55.0m,总高68.0m。为了解沉井定位着床期间河床的局部冲刷情况,通过封闭水槽试验研究沉井定位着床期间的河床局部冲刷深度及冲刷形态。结果表明,河床局部冲刷非常严重,沉井下沉时会产生倾斜扭转。为确保沉井平稳安全着床,采用抛填防护层的方法对沉井周围20m范围内的河床进行预防护施工,防护层包括反滤层(厚0.8m,采用级配砂)和护面层(厚2.2m,采用粒径为5cm的碎石)。预防护施工后,经现场检测可知,着床后沉井中心偏差11cm,平面扭转0.21°,均小于允许值,沉井几何姿态控制良好。说明河床预防护技术可以有效减小局部冲刷,保证了沉井着床精度。     

船行波激励下深水桥墩的动力响应分析

土凉大桥主桥为(75+4×130+75)m预应力混凝土刚构-连续梁组合体系桥梁。该桥施工过程中,船行波引起桥墩较大晃动,施工被迫停止。为解决这一问题,根据库斯科公式、开尔文理论及《港口与航道水文规范》计算船行波荷载,以8号墩为例采用ANSYS软件建立桥墩有限元模型,分析船行波作用下桥墩的动力响应。结果表明:作用在桥墩上的船行波荷载为沿结构淹没深度变化的非线性分布荷载,随水深的增加迅速降低;船速20km/h时,墩顶位移和加速度响应最大;为避免桥墩出现较大晃动,建议客船行至桥墩附近时将船速减小至15km/h以下通过桥墩。     

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。