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。     

杭州湾跨海大桥海中平台区海床冲刷特性

杭州湾跨海大桥海中平台位于杭州湾大桥中间位置,海中平台下部群桩结构与平台上游各系列匝道墩、大桥主墩形成了复杂的墩群结构,受其影响,海中平台区域海床冲刷较为剧烈。为深入了解海中平台区海床冲刷特性,应用多年实测地形测量资料,对海中平台区的海床地形特征、建桥前后海床冲淤变化规律进行了分析,研究各匝道墩最低冲刷高程分布,并应用数值计算模型分析了海中平台区的水动力分布特征,揭示了匝道墩海床冲刷机理。研究发现,与建桥前相比,海中平台区大桥轴线上游500 m~下游1 000 m范围内海床发生整体一般冲刷,在海中平台南北两侧,受局部绕流影响,产生明显的局部冲刷,最大冲刷达14 m。平台南北两侧向上游延伸的局部冲刷槽影响到平台上游的匝道墩,导致部分匝道墩附近海床高程普遍较低。整体来看,位于桥轴线上游的ZB和ZC系列匝道墩因受到海中平台绕流及主墩绕流的叠加影响,导致其最低海床高程明显低于位于桥轴线下游的ZD和ZE系列匝道墩,各匝道墩最低海床高程与涨潮流流速大小具有一定的相关性。     

跨海桥梁基础冲刷特征研究

在我国近海海域,跨海桥梁基础冲刷是影响大桥安全的重要因素之一。基于金塘大桥2014、2015和2017年桥墩基础冲刷实测资料,并结合建桥前地形测验资料进行了案例分析,解析出了往复潮流条件下桥墩基础的一般冲刷及局部冲刷深度,金塘大桥中引桥桥墩一般冲刷深度为3.3~3.6 m,平均局部冲刷深度约8.3 m。往复潮流条件下桥墩基础局部冲刷坑受双向潮流影响向上下游延伸,形状呈椭圆形,各墩冲刷坑纵向长度与最大局部冲刷深度呈近似线性关系,长度约为局部冲刷深度的10~12倍,而各墩冲刷坑横向宽度则基本一致,约为桥墩基础宽度的4~5倍,与最大局部冲刷深度无明显相关性。跨海桥梁基础冲刷深度计算方法及冲刷坑形态特征的研究成果可供跨海大桥基础设计、运行维护及基础冲刷防护参考。     

圆柱桥墩局部冲刷机理试验研究

为进一步探索圆柱桥墩局部冲刷机理,分别从桥墩附近水流流速分布特性、桥墩冲刷特性以及冲刷与流速相互关系对圆柱桥墩顺水流向不同布置方式的局部冲刷水力学特征进行了模型试验研究.结果表明:两排10桥墩顺水流(桥墩轴向与水流方向夹角分别为90°,60°,30°,0°)均匀布置时,桥墩轴向与流向夹角越小,流速在桥墩上下游紊动越小,对下游影响范围越大,且流速越大,冲刷深度和范围越大.顺水流布置0°夹角时,冲刷程度最小,在相同流量下,冲刷稳定历时最短;垂直布置(90°夹角)时,冲刷程度最严重,所需冲刷稳定历时最长,且随着流量的增大,桥墩墩前冲刷坑最深位置逐渐向水槽中间偏移.     

冰盖下桥墩局部最大冲刷深度试验研究

冬季寒冷的北方河流易形成冰盖或冰塞,冰盖的存在对桥墩附近局部冲刷产生影响。在清水冲刷条件下,试验研究了有无冰盖条件下,不同流速和水深对桥墩附近局部冲刷的影响。研究结果表明：对比明流条件,冰盖的存在导致更大的近底流速和近底流速梯度,从而桥墩局部最大冲刷深度更大;其它条件相同的情况下,随流速的增大,桥墩局部最大冲刷深度增大;随着桥墩墩径增大,桥墩局部最大冲刷深度增加;水深增加时桥墩局部最大冲刷深度相对减小。根据试验数据,给出了有冰盖条件下桥墩局部最大冲刷深度的计算公式,与国内外相关试验数据吻合较好。     

环翼式防冲板对圆端形桥墩局部冲刷试验及水力特性

由于传统桥墩冲刷防护措施的局限性,引入新型防冲装置-环翼式防冲板,对圆端形桥墩冲刷进行防护,通过减小下降水流改变桥墩周围水流结构,主动降低了下降水流对桥墩的冲刷。为探究环翼式防冲板对圆端形桥墩局部冲刷的防护作用,采用3种比例圆端形桥墩、3种环翼式防冲板安装位置进行物理模型试验,对圆端形桥墩周围的冲坑特征、垂向流速、垂向紊动强度、紊动切应力等水力要素进行研究。结果表明:安装环翼式防冲板后,3种圆端形桥墩冲刷程度均减小,中圆端形桥墩冲刷减小幅度最大,冲坑体积减小率为30.0%;中圆端形桥墩安装环翼式防冲板后,墩前垂向流速减小为0.039m/s、垂向紊动强度减小为0.025m/s;防冲板上垂面紊动切应力增大,板下垂面紊动切应力减小。试验结果表明环翼式防冲板能够减小桥墩的局部冲刷,具有很高的实用价值。     

钩环式护圈对冰盖下桥墩局部冲刷影响的试验研究

基于桥墩局部冲刷原理,在水平护圈防冲措施的基础上,设计了一种能改变桥墩周围水流流态的新型防冲设施—钩环式护圈。为探究钩环式护圈对圆柱形桥墩局部冲刷的防护效果,采用不同形状的钩环式护圈进行室内物理模型试验,分析了桥墩周围的冲刷特征和水力特性。试验结果表明：当钩环式护圈的高度为1 cm、角度为135°且安装在床面时,防护效果最好;与光墩相比,桥墩安装钩环式护圈后,最大冲刷深度最多可减小62.2%,桥墩底部垂向流速、垂向紊动强度均明显减小。通过多元回归分析建立了计算桥墩周围无量纲最大冲刷深度的经验方程,该方程对明流和冰盖条件下水流均适用。     

Experimental investigation and flow analysis of clear-water scour around pier and abutment in proximity

Local scour around bridge piers and abutments is one of the most significant causes of bridge failure. Despite a plethora of studies on scour around individual bridge piers or abutments, few studies have focused on the joint impact of a pier and an abutment in proximity to one another on scour. This study conducted laboratory experiments and flow analyses to examine the interaction of piers and abutments and their effect on clear-water scour. The experiments were conducted in a rectangular laboratory flume. They included 18 main tests (with a combination of different types of piers and abutments) and five control tests (with individual piers or abutments). Three pier types (a rectangular pier with a rounded edge, a group of three cylindrical piers, and a single cylindrical pier) and two abutment types (a wing–wall abutment and a semi-circular abutment) were used. An acoustic Doppler velocimeter was used to measure the three-dimensional flow velocity for analyses of streamline, velocity magnitude, vertical velocity, and bed shear stress. The results showed that the velocity near the pier and abutment increased by up to 80%. The maximum scour depth around the abutment increased by up to 19%. In contrast, the maximum scour depth around the pier increased significantly by up to l71%. The presence of the pier in the vicinity of the abutment led to an increase in the scour hole volume by up to 87% relative to the case with a solitary abutment. Empirical equations were also derived to accurately estimate the maximum scour depth at the pier adjacent to the abutment.     

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。     

杭州市九堡大桥桥墩局部冲刷试验研究

九堡大桥建于钱塘江河口段七格弯道的弯顶。遵照重力相似、模型沙起动流速相似和水下休止角接近原则建立小比尺正态模型进行桥墩局部冲刷试验研究,预测桥墩基础的冲刷深度,分析两岸边墩对海塘的影响,为工程设计提供依据。     

潮流作用下复合桥墩局部冲刷研究

桥墩冲刷是桥梁水毁的重要原因之一,准确地计算桥墩冲刷深度具有重要意义.为了比较准确地计算桥墩局部冲刷深度,结合某跨海大桥,采用非结构网格技术和大、小模型嵌套的方法建立该大桥海区的平面二维潮流数学模型,采用潮位、流速、流向等实测资料进行验证.在此基础上,对该海区的潮流动力进行了模拟研究,分析了大桥工程对周围海域的潮流动力影响,并采用我国行业标准推荐的2种公式以及美国现行规范推荐的公式计算多座跨海大桥桥墩的局部冲刷计算.结果表明:大桥工程对桥区附近水域流速和潮位影响不大,桥墩可能发生最大局部冲刷深度的位置均位于主墩深槽附近.     

长江下游河段桥墩压缩冲刷预测研究

建桥引起的河床变化可分为压缩冲刷和局部冲刷。相比于局部冲刷,压缩冲刷研究较少,压缩冲刷使桥址断面产生整体性下降,不利于桥墩基础安全。在总结前人研究成果基础上,以长江下游世业洲桥位方案为例,建立了桥墩压缩冲刷预测模型。探讨了不同空间尺度下桥墩边界的处理方法; 针对长江下游河段水沙特点,从工程安全角度出发,提出了水沙过程的选取方法; 最后预测了桥位上下游河床变形和桥墩压缩冲刷深度,并与长江下游已建桥址断面冲刷深度进行比对,两者基本相当。结果表明, 文中确定的桥墩压缩冲刷是合理的,可为桥墩基础埋深提供技术依据。     

环翼式桥墩环翼式挡板最佳延伸长度试验

为研究环翼式桥墩环翼式挡板的最佳延伸长度,进行了不同流速和不同环翼式挡板延伸长度下环翼式桥墩的局部防冲刷试验。试验结果表明:环翼式挡板的延伸长度不同,桥墩的冲刷效果有较大的差别,当环翼式挡板的延伸长度与桥墩的半径相同时,与无挡板的桥墩相比最大冲坑深度可减小57.6%,近底垂向流速最大可减小70.4%,近底紊动强度也明显减小,防冲刷效果显著。     

冰盖下桥墩局部冲刷随时间变化的试验研究

在寒冷地区,河道中冰盖的存在会改变河道流速分布。与明流条件相比,冰盖条件下水流最大流速点会向河床移动,加剧桥墩周围的局部冲刷。过度的局部冲刷会导致桥梁倒塌。基于水槽清水冲刷试验,对冰盖与明流条件下圆柱型桥墩局部冲刷随时间的变化进行了研究,试验结果表明：冰盖下桥墩局部冲刷速率大于明流。平衡冲刷深度比明流条件下的约大12%,且冲刷平衡所需时间比明流条件下的要约大10%。分析了水流强度与无量纲冲刷深度的关系以及冰盖与明流条件下冲刷深度变化速率的差异,给出了冰盖下局部冲刷深度随时间变化的经验方程,研究成果可供实际工程参考。     

除险加固水闸的消能防冲措施

基于某除险加固工程水力学模型试验,通过对闸下水流流态、流速分布、特征断面垂向最大平均流速以及冲刷特性的观测,分析了设计方案条件闸下水流流态恶化及冲刷严重的原因,即下游翼墙加固改变了水流的边界条件,导致出闸水流受到边界挤压而主流集中,局部流速增大,冲刷加剧。通过不同消能防冲方案的试验比较,提出了利用分隔墩消除出闸水流集中的现象;分隔墩消除了主流受边界挤压现象,起到了改善闸下水流流态,均化闸下水流流速分布,降低河床最大流速,减轻闸下冲刷的作用,且体型结构简单,易于施工。     

Flow structure and scour around circular compound bridge piers – A review

Large amount of literature is presently available on the topic of scour around uniform piers and its control. However, relatively fewer studies have been carried out so far on the topic of flow field and scour around compound piers. The state of art on the topic of flow structure and scour around circular compound piers is presented herein. The available literature reveals that variations in foundation and pier geometry significantly affect the maximum depth of scour and its temporal variation. In case of compound piers the scour depth is highly sensitive to the change in elevation of the top surface of the foundation well. As compared to uniform piers, a reduction is observed in maximum depth of scour around compound pier when the top surface of the well is kept below the general level of river bed. These observations however are yet to be quantified. Results from an experimental study on flow field around the compound piers are also presented.     

桥墩水流特性大涡模拟研究

采用大涡模拟（LES）数学模型对河道中单个桥墩及3个桥墩条件下的水流运动进行数值模拟。计算结果与试验结果吻合良好。对计算得到的墩前及墩后流速变化、水位变化、剪应力分布、涡量变化及频谱进行分析,基于以上分析发现:桥墩间距较窄时（s/D=2）,墩前不同位置（0＞x/D＞-5）处的垂向流速绝对值|Uz|大于其他工况条件下相同位置处的流速,而在墩前x/D5）,中心桥墩两侧的桥墩对中心桥墩尾流区的干扰减弱,叠加效应可以忽略。桥墩间距较窄时（s/D=2）墩后x=0.5D处计算得到的涡漩特征长度与桥墩直径基本相同,该处涡漩主要由单个桥墩的尾流产生,而桥墩后x=5D处的涡漩特征长度与3倍的桥墩直径一致,中心桥墩后x=5D处的涡漩由3个桥墩叠加产生。     

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。     

桥墩基础施工河床局部冲刷研究

天然河流中水流受到建筑物的阻碍时，产生紊动涡旋，局部河床泥沙在水流紊动剪应力作用下起动，并被涡旋流带向下游，建筑物局部河床因此受到侵蚀而下降，形成局部冲刷坑。跨河大桥桥墩的局部冲刷就是如此。桥墩及其基础与水深或河床的相对位置影响着局部冲刷深度的发展。本文通过室内试验研究了桥墩下部钢围堰基础施工的相对高程对河床局部冲刷最大深度的影响，探讨了工后钢围堰顶部处于相对水深的不同高度时局部冲刷发展的规律，并将这些影响因素用墩形系数法计入局部冲刷深度计算中，给出了计算公式。本文的研究对目前跨江及跨海大尺度桥墩基础工程施工具有指导意义。     

桥墩局部冲刷动态模拟及不同截面的冲刷特性

为了获得桥墩局部冲刷随时间的演变过程,探讨不同截面桥墩的冲刷特性,采用计算流体动力学软件FLUENT的自定义函数功能和动网格更新技术,考虑湍流涡增强效应的床面剪应力和坡度影响的临界剪应力,得到床面的输沙率,通过输沙率与床面高程的变化关系实现床面地形随时间的动态变化,并利用泥沙坍塌的调整来克服床面坡度超过泥沙休止角造成的模拟失真及数值不稳定。结果表明:局部冲刷最大深度、冲坑形态及流场结构的模拟结果与试验结果较为吻合;在最大墩宽一致的情况下,流线形桥墩的冲坑深度比圆柱形桥墩降低约45%,比尖角形桥墩降低约40%,冲坑范围也有所下降。