基于量纲分析的宁波象山港大桥桥墩局部冲刷规律研究

针对宁波象山港大桥桥墩冲刷严重问题，为了剖析潮流径流共同作用下跨海大桥复式桥墩局部冲刷机理，科学预测桥墩局部冲刷规律，通过系统分析、评估、复核象山港大桥相关试验成果和现场实测数据，深入研究了象山湾内关键水文泥沙参数( 波浪、潮流、潮位、泥沙量、海底冲刷) 变化特征，利用主因子分析及量纲分析等手段，建立象山港大桥桥墩局部冲刷公式，并利用观测数据进行验证。研究表明，象山湾内各涨急落急流速变化不大，涨急和落急之间差别明显。涨急和落急时的代表垂线平均流速分别为－1 m /s 和 1. 14 m /s，且涨落急时刻对应的代表潮位分别为 1. 37 m 和 0. 54 m。针对象山港大桥桥墩特性分别建立三类桥墩局部冲刷公式，计算得到的预测值与观测值误差在±5%以内，说明所提出的预测公式具有较好的预测效果，能有效地揭示象山港大桥的冲刷规律。     

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.     

潮流作用下桥墩局部冲刷研究

为明确潮流与恒定流条件下桥墩局部冲刷深度的关系,通过长时间序列潮流作用下桥墩的局部冲刷试验,观测不同特征参数的潮流条件下桥墩局部冲刷最深点的发展趋势,分析往复流造成的冲刷坑内泥沙反复冲淤对冲刷坑发展过程的影响,涨落潮最大流速和历时决定了冲坑的发展的速率和达到最大冲深的可能性,在潮流速度值较大或历时占优的情况下,将取得与恒定流一致的局部最大冲深。     

桥墩局部冲刷防护的石块起动

桥墩局部冲刷一直是影响桥梁安全的最大自然灾害,抛石防护是最普遍的冲刷防护形式之一。在总结已有冲刷机理的基础上,分析了包括墩前河床底部流速和墩侧河床底部流速的桥墩局部流速,并给出了桥墩冲刷防护石块起动的简化公式。结果表明,墩侧河床底部流速大于墩前河床底部流速,墩侧防护石块更易走失。当行近流速小于3m/s时,可采用抛石进行桥墩局部冲刷防护,抛石直径约为0.2m;对于行近流速为3～5m/s时,建议采用其它冲刷防护措施。     

潮流作用下桥墩局部冲刷规律研究

桥墩局部冲刷深度的可靠预测是保证桥梁安全运行的基础。我国对河流上的桥墩局部冲刷做过大量研究,但河口海湾及沿海地区跨海湾桥梁,往往水域宽阔,作用水流多为极其复杂的双向潮流,目前针对性的研究尚少。通过对钱塘江河口及杭州湾的嘉绍大桥、杭州湾大桥和金塘大桥在潮流作用下的桥墩局部冲刷开展水槽试验,研究了桥墩在潮流作用下的冲刷坑形态与冲刷过程,并对潮流作用下桥墩局部冲刷深度的主要影响因子进行了分析。     

潮流河段分期设计潮流量和潮流速推求

潮流河段水流呈往复运动,通过实测资料和潮流数模计算结果分析,影响潮流量和潮流速的主要因素是高潮位、潮差和上游来水的大小.以长江下游拟建的苏州至南通长江公路大桥桥位河段为典型,基于施工设计需要建立分期涨、落潮潮流量和各桥墩的涨、落潮流速与相应潮位要素的关系,同时结合潮流数模计算,提出了推求分期设计涨、落潮潮流量和各桥墩涨、落潮潮流速计算方法.所采用的方法可供类似潮流河段推求分期设计潮流量和潮流速借鉴.     

佛山高明大桥桥墩基础冲刷防护水力数值模拟研究

受采砂等人类活动影响,高明大桥附近河床下切幅度达10 m,威胁到大桥安全与稳定。该文在分析桥墩附近河床冲刷现状及床沙特性的基础上,通过建立桥址附近河道平面二维水流数学模型,结合经验公式进行桥墩局部冲刷水力计算,预测桥墩局部冲刷坑范围和趋势,据此提出桥墩抛石防护方案,包括防护范围、块石粒径、抛石厚度等。经汛后检测,冲刷防护措施效果较好,可为珠江三角洲类似大桥冲刷防护工程应用提供参考。     

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。     

兴化湾潮汐潮流特性及工程影响分析

福建省兴化湾内大量围填、疏浚工程建设直接影响湾内水动力环境。依据2009年2月水文观测资料,对实测资料进行分析,并利用潮汐调和分析、潮流准调和分析、潮流数值模拟等方法得到了兴化湾海区的潮汐、潮流特性以及湾内工程前后的潮位、潮流场和余流场特征。分析研究表明,兴化湾潮汐属于正规半日潮,浅水效应较弱;潮流为不正规半日潮流,浅海分潮作用较强;湾内潮波逐渐有驻波特征,形成湾内潮波的两股潮流流向稳定,呈往复流,其中兴化水道潮流涨潮占优,南日水道潮流落潮占优;工程实施后,基于调和常数的2013年7月潮位预报与实测潮位吻合较好,同时潮汐潮流性质不变,在港池、航道水域流速有所增加;兴化、南日两水道涨、落潮通量均减小,全湾纳潮量有所减少;湾内余流场整体不变,口门处涡漩有所加强。     

输沙率公式对桥墩局部冲刷数值模拟影响研究

基于Melville桥墩局部冲刷试验模型,采用FLOW-3D软件,利用大涡模拟方法模拟了桥墩绕流局部冲刷过程,通过分析冲刷坑形态、深度的变化过程,评价了Meyer-Peter和Van Rijn推移质输沙率公式在桥墩绕流局部冲刷模拟中的适用性,并结合两输沙率公式结构分析了模拟结果存在差异的原因。结果表明：大涡模拟方法能够有效模拟桥墩绕流的复杂流态,采用Meyer-Peter推移质输沙率公式的局部冲刷模拟结果较好,预测的冲刷坑形态更接近试验观测结果;当时间为30 min时,最大冲刷深度与试验观测结果相对误差为2.3%。采用Van Rijn推移质输沙率公式的预测结果相对较差,最大冲刷深度与试验观测结果相对误差为15.5%。     

钱塘江嘉绍大桥对强潮河口水动力的影响

为研究嘉绍大桥对钱塘江涌潮形态及水动力的影响,在分析现场涌潮观测资料的基础上,建立基于KFVS格式的平面二维涌潮数学模型,计算比较了建桥前后涌潮及潮流场的变化。结果表明：受嘉绍大桥阻隔影响,涌潮经过桥位时其形态的整体性被破坏,过桥后约500m涌潮形态基本恢复,桥位下游涌潮高度增加,桥位上游涌潮高度降低;建桥对涨、落潮流的影响主要在桥位近区,对上下游的潮位和流向影响较小,桥位上下游涨、落潮流速减小0～5％,桥轴线断面桥跨中间流速增加2％～10％;建桥对涌潮的影响是局部的,桥位上下游近区的潮动力有所减弱。     

潮流作用下桥墩局部冲刷深度计算公式的建立与验证

桥梁水毁大多因桥墩局部冲刷所致,桥墩局部冲刷深度的可靠预测是保证桥梁安全运行的基础。国内外对河流上的桥墩局部冲刷做过大量研究,建立了可供设计使用的桥墩局部冲刷计算公式。对于河口海湾及沿海地区跨海湾桥梁,其作用水流多为极其复杂的双向潮流,原有公式常难以适用。利用水槽试验成果结合其他河口海湾地区的相关研究成果,通过量纲分析及多元回归法建立了潮流作用下桥墩局部冲刷的计算公式。该公式结构简单,参与多元回归分析的数据多,各参数的取值范围均较广,并应用大量现场实测资料以及其他河口海湾及近海地区桥墩、人工岛、塔基等构筑物的试验值进行了较好验证,可供河口海湾及近海地区相关工程局部冲刷深度估算时参考应用。     

桥墩振动对其局部冲刷的影响

为了探究桥墩振动对其局部冲刷的影响,以圆柱型桥墩为例,开展了不同泥沙底床条件下的振动桥墩局部冲刷水槽试验。结果表明,在振动载荷下,对于中值粒径分别为14.42μm、31.75μm和85.92μm的细颗粒底床,当振动强度从0增大至3.72,最大冲刷深度和最大冲刷半径均随之增大;中值粒径为14.42μm的泥沙底床最大冲刷深度增幅最大达910%,且粒径越大,增幅越小。对于中值粒径为260μm的粗颗粒底床,当振动强度从0增至2.31,最大冲刷深度降低了37.50%,而最大冲刷半径增加了38.37%。因此,桥墩的振动对其局部冲刷有着重要影响,且对细颗粒底床和粗颗粒底床的影响不同。桥墩振动导致有黏性的细颗粒泥沙发生流变从而加剧了其局部冲刷;而无黏性的粗颗粒泥沙受到振动作用而加密,其局部冲刷削弱。提出了考虑桥墩振动的局部冲刷深度计算公式,其理论计算值与实测值相对误差在±20%的数据达87.5%,能够为涉水桥梁基础埋深的设计提供更合理的计算依据。     

圆柱桥墩局部冲刷机理

利用水槽动床冲刷实验,获得不同流量和水深条件下圆柱型桥墩流场分布及冲刷地形。分析冲刷范围、冲刷深度、冲刷扩散角与来流流量及下游水深之间的关系。结果表明：最大冲刷深度与桥墩尺度、泥沙粒径、流场紊动能等有关;流量增大、水位变浅时由于行进流速、紊动能等因素的影响使最大冲深呈现单增趋势;最大冲宽与最大冲深的分布规律在流场和水深条件改变时相似。通过该修正公式将可以更好地预测圆柱桥墩在较大流速下的最大冲刷深度。     

洪潮水动力作用下闽江乌龙江大桥桥墩冲刷影响研究

闽江南港乌龙江大桥上下游300m范围内先后共建有五座桥梁,在径流和潮流双重水动力作用下,群桥建设使得乌龙江大桥桥墩周边水流结构发生变化,影响桥墩冲刷过程。文章通过建立数学模型,对群桥建设后乌龙江大桥桥墩附近流速及冲刷进行影响研究,可为闽江南港峡口段群桥桥墩及涉河建筑物的防护提供指导。     

桥墩局部冲刷公式研究进展

总结国内外桥墩局部冲刷的研究成果,分类列举了单向流情况下非黏性土桥墩的局部冲刷公式;对比讨论了中国、前苏联及美国关于桥墩局部冲刷的规范公式。介绍了受潮流作用的桥墩和黏性土桥墩冲刷的最新研究进展。     

基于Flow-3D的圆柱形桥墩局部冲刷大涡模拟

为预测圆柱形桥墩周围的局部冲刷坑形态和最大冲坑深度,基于Flow-3D软件的水动力学模块和泥沙输运模块对桥墩附近局部冲刷进行了三维数值模拟。以Melville冲刷试验为原型,采用LES大涡模拟方法,模拟了桥墩附近湍流流场。以床面瞬时切应力作为泥沙起动、输移条件,采用Van Rijn输沙率公式计算床面冲淤。采用FAVOR技术追踪河床形态变化,得到了桥墩附近局部冲刷形态。经实测资料验证,计算结果与模型实测的冲坑形态及最大冲坑深度基本吻合。     

大桥复合桥墩局部冲刷深度的计算分析

桥墩的冲刷毁坏是桥梁失事的重要原因。为保证桥梁安全,需要准确评价桥墩冲刷深度。本文结合某跨海大桥,使用较为可靠的HEC-18公式对其复合桥墩的局部冲刷深度进行研究。计算结果表明,该大桥最大的可能局部冲刷深度发生在主桥主墩,复合桥墩中群桩部分造成的冲刷深度为桥墩冲刷的主要部分,且随流速增大,其在总冲刷深度中所占比例也增大,总冲刷深度对承台吃水深度变化不敏感。进一步分析表明,复合桥墩的冲刷深度随水流斜交角的变化规律与简单桥墩有较明显区别,关系更为复杂。     

斜交桥墩局部冲刷坑形态试验研究

为研究斜交桥墩在多沙河流上的局部冲刷问题,利用1∶100正态模型水槽对不同斜交角度长方体圆墩进行了系列试验,对桥墩在不同水流强度、斜交角度条件下的冲刷坑形态进行了系统观测和分析。结果表明:斜交桥墩冲刷坑的几何特性与正交桥墩存在较大区别,当单宽流量为10 m3/(s·m)、斜交角度为15°以上时,桥墩会出现共轭冲刷坑;当桥墩斜交时,背水侧会出现顺时针旋涡水流下降区,迎水侧墩尾处受水流顶冲出现局部冲刷坑;桥墩局部冲坑深度、体积、范围等要素均随水流强度及斜交角度的增大而增大,墩尾冲刷坑深度约为墩前的0.7倍,桥墩冲刷坑面积与桥墩投影面积比的最大值为32.4;水流强度较小时规范公式计算值与试验值较吻合,水流强度较大时规范公式计算冲深小于试验值,二者比值为0.66～0.92。     

声学多普勒流速仪盲区数据处理及其在长江河口区的应用

本文基于边界层理论，在估算声学多普勒流速仪（Acoustic Doppler Current Profiler，简称ADCP）水表和底部的观测盲区流速作了初步探索。根据长江口南港定点观测获取的ADCP潮周期流速剖面数据的分析结果，在涨急和落急阶段整个水层均为边界层，流速剖面呈对数分布。因此，利用卡门-普朗特公式外插，计算ADCP盲区的流速，与在盲区放置的直读式流速仪测得的数据相比，平均相对误差分别为2.3%～2.9%。某些数据点的偏离可能是由于悬沙浓度分布的变化而引起的。