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。     

冰盖条件下桥墩局部冲刷研究进展

冬季,寒冷地区的河流会出现冰盖或冰塞现象。冰盖的存在使水流湿周增加,流速剖面与明流条件下完全不同,最大流速出现在河床表面和冰盖底部之间,具体位置取决于河床和冰盖的相对粗糙程度。因此,冰盖条件下桥墩局部冲刷过程不同于明流条件下的局部冲刷过程。明流条件下的桥墩局部冲刷是国内外学者研究的热点问题之一,但关于冰盖条件下桥墩局部冲刷的研究工作却非常有限。在简要回顾明流条件下桥墩局部冲刷研究成果的基础上,对冰盖条件下桥墩局部冲刷的研究成果进行了综述和讨论,并提出了今后的研究方向。     

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.     

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.     

环翼式桥墩局部冲刷防护试验

基于桥墩局部冲刷原理,在传统防冲刷保护措施的基础上设计了一种能改变桥墩迎水面流态的新型环翼式桥墩,在不同流速、有无环翼式挡板以及不同的挡板位置下,试验研究了环翼式桥墩的局部防冲刷效果。研究结果表明,环翼式挡板可有效减小桥墩的局部冲刷,当桥墩上的挡板与河床的距离约为水深的1/3时,与无挡板的桥墩相比近底垂向流速最大可减小96%,最大冲坑深度可减小57.6%,环翼式桥墩防冲刷效果明显。     

冰盖下桥墩局部冲刷新型防冲组合结构试验研究

河流冰盖的形成改变了桥墩周围的水力特性,导致桥墩局部冲刷加剧。基于动床冲刷,在冰盖及明流条件下进行了螺纹式减冲索与钩环式护圈组合的新型防冲结构室内模型试验,探究其对桥墩局部冲刷的防冲效果。试验结果表明：新型防冲组合结构改变了桥墩的局部冲刷模式,延缓了冲刷过程;通过极差分析与方差分析可知,螺纹直径为6.0 mm、螺纹角为15°、螺纹排数为3的新型防冲组合结构的防护效果最优;与无防护工况相比,在粗糙冰盖条件下新型防冲组合结构桥墩最大冲刷深度减小了59.03%;螺纹式减冲索增大了桥墩表面的粗糙度,可以更好地削弱下潜流和分离墩前迎面水流,从而达到有效防冲的目的。     

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。     

透水四面体框架群防护特性及其与抛石防护的对比研究

透水四面体框架群能降低其附近的水流流速、耗散水流的能量,起到减速防冲和促淤的效果,同时也可以保护床沙、抑制局部冲刷.不同的抛投密度防护效果也不同,随着抛投密度的增加,其防护效果几乎线性增强,但达到一定限度后将不再增加.抛石防护是使用历史较早、使用频率较高的一种桥墩局部冲刷防护措施.抛石防护就是将所选石料布设于桥墩周围床面上,用以提高桥墩周围河床床面的抗冲能力.抛石防护主要工作原理是保护床沙、增加其起动或扬动流速;增大桥墩附近局部糙率、减小局部流速.本文采用多组水槽清水冲刷试验,对比分析了透水四面体框架群在不同抛投密度条件下的防护效果差异,及其与抛石防护桥墩局部冲刷的最大深度及其整体防护效果的优劣,为四面体框架群和抛石防护的应用提供一些决策所必须的技术参数.     

砂土中圆形桥墩局部冲刷试验研究

桥墩的冲刷研究对于水工大桥结构的安全设计具有极其重要的意义。针对砂土中圆形桥墩的局部冲刷进行试验研究,通过长时间的冲刷试验,评估圆柱形桥墩处局部冲刷的时间发展,以及桥墩形状和不同流速对局部冲刷深度的有效性,同时描述了桥墩处可能出现的冲刷深度变化。结果表明,冲刷深度随时间增加而增加;最大冲刷深度取决于时间和流速,且最大冲刷深度也随着流量和时间的增加而增加。     

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。     

Impacts of ice cover on local scour around semi-circular bridge abutment简

The presence of ice cover in winter can significantly change the flow field around bridge abutments, which can also cause a different local scour pattern. To investigate the impacts of ice cover, results from a recent flume experiments were presented. Smooth and rough ice covers were created to investigate the impacts of ice cover roughness on the scour geometry around the semi-circular abutment. Three bed materials were used, with 50D s of 0.58 mm, 0.50 mm, 0.47 mm respectively. Scour volume and scour area were calculated. It was found that the maximum scour depth was located 75o inclined to the flume wall. Under rough ice cover, the scour area and scour depth were the largest. An empirical equation on the maximum scour depth was also developed.     

河床中值粒径对桥墩冲刷坑演化过程的影响

桥墩的局部冲刷导致河床形态变化和桥墩基础埋深减小是桥梁水毁的主要原因。在大涡模拟(Large Eddy Simulation,LES)的基础上结合水流运动方程和泥沙运动的动理学理论系统地对桥墩基础处的水流冲刷问题进行全时段全方位的三维数值模拟。得到了桥墩基础处的湍流流场流线图及河床形态变化的高程图。重点研究了水流流速和河床颗粒中值粒径对桥墩周边局部冲刷的影响。结果表明:冲刷坑的深度随着初始流速的增大而增加,且冲刷坑形成速度加快;冲刷坑的深度随着河床颗粒中值粒径的减小而增大,但是当颗粒的中值粒径小到一定程度时,由于泥沙颗粒之间的黏聚力增大导致冲刷坑的深度反而减小。     

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...     

Armour Layer Analysis of Local Scour around Bridge Abutments Under Ice Cover

A set of experiments was conducted for the local scour around bridge abutments under ice cover in non‐uniform sediments. By taking into account of the grain size of the armour layer and ice cover roughness, the dimensionless maximum scour depth is analysed. With an increase in grain size of the armour layer, the dimensionless maximum scour depth decreases. With the increase in ice cover roughness, the dimensionless maximum scour depth increases correspondingly. By using dimensional analysis, a regression relationship supports this conclusion. The conclusions drawn from this study provide crucial evidence for the protection of bridge foundations in winter time. Copyright © 2014 John Wiley & Sons, Ltd.     

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.