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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

斜交塔基局部冲刷规律研究

塔基(桥墩)的局部冲刷问题是跨河工程规划、设计中需考虑的重要课题。受限于地形、地质、经济条件等因素,斜交塔基(桥墩)逐渐用于跨河工程中。然而,目前研究侧重正交塔基(桥墩)的局部冲刷问题,对斜交塔基局部冲刷规律研究较少,因此,以某斜交塔基工程为例,通过概化模型试验研究了斜交塔基的局部冲刷规律。研究结果表明:与正交塔基相比,斜交塔基偏向侧流速增幅大于塔基背向侧流速;冲刷坑最大冲刷深度较大,且最大冲刷位置位于塔基偏向侧;冲刷坑呈不对称的马蹄形,且塔基偏向侧冲刷范围大于背向侧;塔基防护后,以上趋势减弱。研究成果为解决跨江大桥或电缆通道建设中的斜交塔基局部冲刷问题提供了参考借鉴。     

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.     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

冰盖下桥墩局部冲刷深度预测

利用实验室清水条件下桥墩局部冲刷的试验数据,采用支持向量机（suppcrt vector machine,SVM）和BP(back propagation)神经网络的方法,基于量纲分析原理,对影响桥墩局部冲刷产生的相关因子进行分析。将试验数据的3/4作为预测模型的训练数据集、1/4作为预测模型的测试数据集。模型的输入因子有水流弗劳德数Fr、水深与墩径之比h/D、床沙中值粒径与墩径之比d50/D、冰盖下表面糙率与床面糙率之比ni/nb,输出因子为冲刷坑深度ds。采用相关系数（r）、均方根误差（δRMSE）、平均绝对百分比误差（δMAPE）、确定系数（R2）作为预测结果的评价指标,并将预测结果与试验结果做了比较。BP神经网络模型和SVM模型在预测明流条件下桥墩局部冲刷坑深度时,预测结果的r分别为0.89和0.88、MAPE分别为38.8%和31%;在预测冰盖条件下冲刷坑深度时,预测结果的r分别为0.78和0.73、MAPE分别为43%和46%。结果表明BP神经网络和SVM模型预测明流及冰盖条件下桥墩局部冲刷坑深度时具有较高的精度。     

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。     

单墩绕流的三维数值模拟

应用流体动力学软件fluent中雷诺应力方程模型和VOF方法,模拟了单墩绕流现象。结果表明:桥墩的阻水作用使墩前的水面在上游不远处开始逐渐升高,至墩前达到最高值,形成墩前的向下水流;墩后靠近桥墩水面处有逆向水流产生;水面线会受到桥墩的影响,桥梁的修建减小了断面过流面积,再加上桥墩本身的阻力,使水流流线在桥梁的上游收缩、下游扩散,形成桥墩前方的壅水现象。     

海上风电桩基局部冲刷试验研究

风电桩基既承担风机自身荷载,又受到叶片转动的侧向压力,桩基稳定性至关重要。海上风电桩基不仅受潮汐双向水流和波浪共同作用的影响,而且桩基尺度介于通常的桥墩和码头桩基之间,局部冲刷具有一定特殊性。通过建立1∶60的正态模型,研究了洋口海域海上风电桩基在波浪、潮流及波流共同作用下的局部冲刷。结果表明:潮流是控制该海域桩基局部冲刷的主导因素;往复流作用下的冲刷坑形态呈椭圆形,最大冲刷深度约为恒定流的80%;当波流共同作用时,由于桩前波浪振荡水流的作用,泥沙较水流作用时更易起动,局部冲刷显著增强,最大冲刷深度为潮流和恒定流作用下的2.0与1.7倍;韩海骞公式计算值按照系数0.75折算后与波流作用下的桩基冲刷深度试验值较为吻合。根据试验结果,建议对桩基周边局部冲刷坑进行抛石防护,确保海上风机的安全稳定。     

苏通长江大桥南、北塔墩冲刷分析

长江澄通河段历史上河势变化较大,近年来随着整治工程的完善,其河势趋于稳定.拟建的苏通长江大桥位于该河段的徐六泾节点段,大桥的两个主塔墩位于主河槽,其河势变化对主塔墩冲刷深度的影响,主塔墩冲刷坑对河势的影响均是决定桥墩冲刷深度的主要因素.影响桥墩冲刷深度的其它因素有:墩形尺寸、水流流速、地质条件等.     

海洋平台桩基冲刷的数值研究

该文基于湍流与两相流理论,数值研究了海洋平台桩基冲刷的机理及其过程。分析了桩基周围的流场分布,重点讨论了圆柱扰流的压力及速度分布,并对桩基周围海床面上的泥沙随冲刷时间的变化进行分析,最后对冲刷坑的深度进行研究。研究结果表明:桩基周围的冲刷过程开始于圆柱两侧,上游先被冲断,最后下游逐渐被冲刷。     

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。     

丁坝局部冲刷坑形态演变及冲刷平衡临界条件

丁坝局部冲刷坑垂向冲深、平面宽度及上下游边坡构成了冲刷坑几何形态的三维特征。局部冲刷达到平衡状态时,冲刷坑上下游边坡保持相对稳定的斜率。其与泥沙颗粒水下休止角大小及冲刷平衡临界条件的关系仍不太明确。一系列清水冲刷试验表明,不同来流强度条件下冲深与展宽速率存在非对称特征,坝体上下游边坡斜率随时间演变振荡衰减至相对稳定坡度。坝体上游坡度均较下游陡,比值近似常量为0.5。边坡斜率略小于泥沙颗粒水下休止角,比值下限近似为常量0.7。