关于桥梁壅水计算中几种经验公式应用的探讨

修建跨河桥梁时,由于河道中桥墩占据了部分过水断面,桥孔压缩水流,使桥位上游水面壅高,形成桥前壅水,根据明渠渐变流原理,壅水水面曲线在向上游延伸过程中存在最大壅水高度ΔZ,桥梁壅水计算就是通过一些经验公式来推求桥前最大壅水高度ΔZ。     

秦淮河地铁桥物理模型试验研究

秦淮河地铁桥临近秦淮河大桥,主桥墩采用双壁墩形式,由于桥墩壅水与桥墩形状、桥墩尺寸、桥墩布置形式、阻水面积比、河道水流情况等诸多条件有关,而经验公式往往仅考虑其中的几个因素,没有普遍适用性.应用平面比尺为1∶100,垂直比尺为1∶50的变态物理模型试验,研究了地铁秦淮河大桥的桥墩壅水、河道水流流速、水面线、流态等内容.结果表明:河道水面线可分为3段,桥前壅水最大为0.02 m,壅水长度为桥梁上游500 m,墩间流速最大增加0.29 m/s.     

并线桥墩局部冲刷试验研究

针对并线桥墩在多沙河流上的局部冲刷问题,采用1:100正态模型水槽对桥梁平面正交在不同形状、上下游不同桥梁间距的桥墩布置进行了系列试验研究,对上下游桥墩在不同水流强度、不同桥梁间距条件下的局部冲刷过程进行系统观测和分析。结果表明,桥墩并线时,桥墩周围水流流态较为复杂,受上游墩阻水绕流影响,下游墩周围水流紊动强度减小,流速减弱。当上下游桥墩距离较近时,上下游桥墩局部冲刷坑深度均小于相应单独桥墩,下游桥墩冲深小于上游桥墩冲深,这种差异随桥梁间距的增大而逐步减弱。随着水流强度及桥墩尺度的增大,下游桥墩不受上游桥墩影响的距离相应增大,当流速为2 m/s、墩径为2~8 m时,其影响距离约为350~660 m。     

急流越过矩形墩的流态及自由水面

本文通过系统的物理模型并结合理论分析的方法研究了越过矩形墩的水流流态及墩上游自由水面特性。应用动量方程推导了墩前水跃旋滚与急流飞越而过流态之间的界限流态下上游控制断面佛氏数量论公式，它与实验数据吻合。证明了当水流飞越而过时，墩上游自由水面与佛低数无关，仅是相对墩高和收缩比的函数。通过资料分析得到墩上游自由水面受墩高比，收缩比的影响范围变化规律；无因次水深受墩高比，收缩比的变化规律以及不考虑墩前水面     

山区河道斜交桥梁的防洪计算分析

山区河道弯曲狭长,洪水期峰高流急,而受地形和线位制约,很多桥梁不得不采用斜交方式跨河,进一步增加了阻水面积,给河道防洪造成很大压力。以拟建兰江特大桥为例,通过二维数值模型计算分析斜交桥梁扭转桥墩和增大桥跨两种结构优化方案对山区河道防洪和河床冲刷的影响效果。结果表明:扭转桥墩轴线与水流方向平行可以减小斜交桥梁对河流的阻水效应,并且可以改善桥墩的挑流作用,减小河道冲刷;增大桥跨(减少桥墩阻水面积)也是减轻桥梁阻水的有效措施,再结合扭墩对桥梁结构进行优化,可以显著减轻桥梁阻水作用,改善桥墩的挑流作用,并且减轻对河道的冲刷。     

郑焦铁路黄河大桥桥墩局部冲刷试验研究

为了保证郑焦铁路黄河大桥桥梁基础安全,同时尽量避免桥梁基础因设计偏于安全而造成工程投资的增加,按单宽流量、河势以及桥墩防护的多种组合,开展了桥墩基础局部冲刷试验研究,分析了桥墩局部冲刷的水流现象、冲刷坑形态和冲刷深度。结果表明:局部冲刷最深点在承台下的桩群之间,略偏向桥轴线上游部位;墩后形成带状淤积体,淤积体随单宽流量的增大而增大。水流方向与桥轴线正交时,桥墩周围的局部冲刷坑形态基本沿桥墩轴线对称分布;水流方向与桥轴线法线存在夹角时,冲坑范围扩大、冲坑深度明显增深,桥墩两侧马蹄形旋涡不再对称分布。墩前抛石护底后,局部冲刷坑深度明显变浅。     

开孔桥墩墩后水动力特性PIV试验

为探讨桥墩上设置开孔对墩后水流结构的影响,采用粒子图像测试技术(PIV)对矩形开孔桥墩墩后的水平面和立面流场进行了测量,并对墩后的水流结构进行了分析。结果表明:矩形开孔桥墩能够改变开孔位置所在水深处尾流的运动规律,贯穿方孔的高速水流与墩侧绕流以及墩后低速区水流形成强烈的剪切作用,抑制了大尺度旋涡的发展与运动,并且切断了墩后底部水流的上升运动轨迹;墩后瞬时流场存在周期性的运动规律,具有高度间歇特性。     

斜交桥墩阻水特性数值模拟研究

在桥梁设计中受地形地质、接线等原因影响,桥轴线有时不得不与河道斜交布置,通常情况下桥墩墩轴线与桥轴线垂直布置,受此影响,桥墩墩轴线则与水流流向形成一定夹角α.二维数值模拟研究成果表明,对同尺寸桥墩,α越大则桥墩阻水比随之增大,由此引起的桥墩墩前壅水高度及范围,桥区流速变化幅度及范围、紊流宽度等均相应增大,严重时将直接威...     

滩地墩群对河道行洪影响的试验研究

相对于一般桥梁少量大型桥墩主河道阻水,滩地墩群对河道水流流态的影响研究较少。对此,以广中江高速公路桂洲水道跨堤段为例,在来水来沙及河演分析的基础上,以重力相似Froude准则设计河工变态物理模型,通过数学模型计算成果对模型进行率定验证,选取有代表性的水文组次,进行物理模型试验,分析工程前、后附近河段水位、流速及流态变化,归纳总结滩地墩群工况下河道水流运动特征及规律,研究桥梁建成后对河道行洪、排涝、堤防安全及河势稳定的影响,并提出防治与补救措施。研究成果可为滩地墩群阻水研究提供借鉴。     

降低桥墩壅水的优化试验研究

桥墩型式对墩前壅水高度影响较大。为优化涉水桥梁工程设计方案,降低桥墩壅水对河道防洪的影响,通过建立宽水槽模型,对不同桥墩型式所引起的墩前壅水高度进行了测试和分析。结果表明,桥墩的最优侧面曲线特征参数b′/L为0.071~0.083;方墩、流线墩和双圆墩3种墩型的优势夹角不同,桥墩轴线与水流夹角小于36°时,流线墩壅水最小,大于36°时双圆墩壅水最小。     

墩周绕流对抛石落距的影响

动水中抛石常用于桥墩冲刷的应急防护。受墩周水流的影响,抛石沉降的着床点难以确定。本文研究了抛石落距受水流、桥墩绕流及抛石颗粒特性的影响规律,用量纲分析法建立了相关物理方程,通过大量多因素的水槽试验,观测了桥墩绕流不同区域抛石落距规律,确定了方程式的系数及指数。各项试验均多次重复,对观测数据均进行了统计分析,以避免试验观测错误。研究表明,抛石落距与水流Fr数及水深h成正比,与抛石颗粒和水的相对密度差(ρs-ρ)/ρ及颗粒尺度dr成反比,并与墩雷诺数有关。墩周绕流阻力导致墩前抛石落距较均匀流条件下减小,绕流影响区内、外落距明显不同。     

非均质河床双排桥墩局部冲刷数值模拟研究

精确模拟山区河流非均匀沙质河床桥墩的局部冲刷对桥梁设计和安全运行具有重要的意义。以黑石渡大桥河床床沙特征为背景,采用Flow3D软件开展非均匀沙质河床上双排圆柱形桥墩冲刷三维数值模拟研究。为考虑河床非均匀泥沙的悬移质运动、泥沙挟带、推移质输运等过程,在数值模拟过程中,根据非均匀沙质河床的颗粒分布曲线,对所筛取的各个级配范围内的颗粒采用其对应的中值粒径来表征。模拟得到了双柱排桥墩局部流场结构、河床的冲淤变化和上下游桥墩周围冲刷坑形态。研究表明:受桥墩阻水作用影响,墩前壅水、墩后跌水现象明显。墩周冲刷坑基本贯通整个墩周区域,受上游墩保护作用影响,下游墩冲刷坑的发育深度和规模小于上游墩。将数值模拟结果与试验结果进行了对比分析,二者吻合较好。研究成果可为深入开展非均匀沙质河床桥墩局部冲刷研究提供参考。     

丹巴水电站上游河道岸坡对截流龙口水力参数的影响分析

对丹巴水电站截流模型采用数值计算,求解沿程水面线和平均流速,分析由上游边坡导致龙口前水流流向和水面宽度的改变对截流的影响。计算结果表明:龙口前水面宽度的改变使河道出现双龙口截流,产生双龙口效应,减小了龙口截流水力要素,但加深水流对河床和坡脚的冲刷;水流流向的改变使河道出现堤头挑流,龙口产生边界层分离现象,减少了堤头抛投量,但加重主流对基坑和岸坡的冲刷。     

城市行洪河道桥群阻水叠加效应量化研究

针对城市行洪河道桥梁群形成的叠加阻水效应问题,以南京市重要行洪通道秦淮河为例,考虑桥墩不过水边界等因素,建立了秦淮河涉水桥梁群的平面二维水流数学模型,对桥群阻水叠加效应进行量化分析。分析结果表明,河道上游水流受桥梁群阻水影响,水位壅高较为明显,壅水高度随桥墩数量的增加而增大。基于计算结果,推导出了桥梁群壅水高度计算公式,并通过滁河六合城区段桥群壅水叠加影响进行了验证,验证结果良好。同时,给出了桥墩在河道两侧及河道中心的位置影响系数值,阐明了桥群壅水叠加机理;所建立的壅水叠加公式较好地反映了河道桥群的阻水叠加效应,为城市河道桥群壅水叠加影响的量化分析研究提供了科学依据。     

桥墩型式对河道流态的影响分析

为了保证跨河桥梁的安全,减少桥墩对行洪的影响,对桥墩型式及布置位置对河道流态的影响进行分析是十分必要的。基于工程实例,采用MIKE21构建矩形墩、圆形墩、圆端形墩三种河道流态分析模型,分别进行河道水位、流场与桥墩型式相应的影响分析。研究发现三种墩形下,墩头两侧流速均显著增大并伴有跌水,且主槽跌水大于滩地。其中,矩形墩墩前壅水、墩后跌水及墩间流速增量最大,圆端形最小;圆形排墩沿墩轴线桥墩之间流速减小。研究成果能够为桥梁工程的规划、设计及参数优选提供参考。     

导流板对桥墩周围紊动特性的影响

水流通过桥墩在桥墩区域形成复杂的三维流场,会对桥墩底部冲刷和桥区通航产生很大的影响,所以控制桥墩紊流区水流形态十分重要。采用RNGκ-ε紊流模型对桥墩绕流进行三维数值模拟,在墩尾设置不同长度导流板,计算分析墩周围的水流紊动强度值。设置导流板后,墩周围X/D=0~5.3断面的水流最大紊动强度值明显减小,而墩后的紊动强度普遍有减小趋势,且长度不同的导流板对同一墩型的绕流控制作用不同。合适长度的导流板能束窄紊动强度变化值σ0.1的范围,即能减小紊流宽度。     

平原河道桥墩群阻水壅高试验研究

以南京秦淮新河为参考原型,建立河道桥群概化试验模型,定量研究平原河道桥群阻水叠加效应.试验结果表明:上游水流受桥墩阻水影响,水位壅高明显,壅水高度随桥墩数量的增加而增大,壅高范围随着桥墩数量的增多而延长;对于概化河道(流量1000 m3/s,流速2.5 m/s,阻水率6％),河道中心线最大壅水高度36 cm,壅水范围150 m;在桥梁群上游150 m位置处,6座桥梁组成的桥梁群引起的壅高值为单座桥梁壅高值的1.5倍.研究成果对评估桥梁等涉水建筑物引起的阻水影响具有参考意义.     

三杆六脚体对桥墩周围流场影响的试验研究

为寻求保护桥墩周围河床避受冲刷的有效方式,采用物理模型试验的方法,对三杆六脚透水架体对桥墩周围流场水力特性的影响进行了研究分析。结果表明,三杆六脚透水架体不但能削减穿越其内部的水流流速,在床面附近形成流速减速区域,将墩周马蹄形旋涡和墩后尾流漩涡的作用能量有效地转移到远离床面的水体中,而且还能利用自身扰流消能和实体抗冲的双重特性有效抑制墩前向下水流对床面的冲击。     

涉河桥梁阻水影响因素研究

采用VOF(volume of fluid)方法和标准κ-ε模型,对涉河桥梁桥墩附近河段三维流场进行了精细模拟,通过不断改变桥墩宽、桥墩数、桥梁跨径、桥墩和水流的夹角、桥梁和水流的夹角和桥墩的布置形式等,进一步分析各个因素对桥梁壅水的影响.计算分析成果表明桥墩在桥梁稳定的前提下,减少其宽度可以有效地降低壅水高度,同时双圆柱型桥墩有利于降低壅水高度.桥墩轴线尽可能顺应水流流向,桥梁轴线尽可能与水流流向垂直,至少要将夹角控制在65°以上.     

桥墩冲刷坑动态冲刷过程研究

基于超声波地形仪,提出了桥墩冲刷坑超声动态测量方法,实现了桥墩冲刷坑水下实时非接触测量。结果表明,桥墩冲刷首先发生在墩侧及墩前,之后墩后逐渐开始冲刷,墩后沙丘缓慢发展;最大冲刷深度开始位于墩前,逐渐移至墩侧;桥墩前缘和两侧冲刷坑较深,桥墩后方冲刷坑较浅;各断面输沙率与上游断面泥沙输运及断面间泥沙冲淤有关。