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。     

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...     

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。     

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。     

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。     

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。     

瓯江二桥主桥墩局部冲刷试验研究

本文采用系列模型试验方法，对瓯江二桥主要桥墩局部冲刷问题进行了研究，试验结果表明主桥墩最大冲刷深度与上游流量及主桥墩轴线走向有关，对径流为百年一遇洪水流量，主桥墩轴线走向与水流流向一致时，其最大冲刷深度为１１．６９ｍ，主桥墩纵轴线与流向夹角为２０°时，最大冲刷深度为１４．８１ｍ，试验得到施工围堰局部冲刷与流量的关系，得出最大冲刷深度，并提出围堰局部冲刷的防护措施。     

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.     

复杂边界条件下桥墩冲刷的试验研究

本文阐述了弯道中的流速分布,进而求得了弯道中的一般冲刷,通过对弯道中的斜交桥水流偏转角以及过水断面宽度的求解,初步求得了河湾中斜交桥的一般冲刷的计算结果,并且通过折减系数将一般冲刷与局部冲刷联系起来,推得了在只有表面流速与水位情况下的弯道中斜交桥的冲刷深度计算公式,结合延河水工模型实验资料,验证了冲刷的折减系数,计算结果与实际吻合较好.     

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。     

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.     

NEURAL NETWORK MODELING FOR ESTIMATION OF SCOUR DEPTH AROUND BRIDGE PIERS

It is essential to predict the scour depth around bridge piers for hydraulic engineers involved in the economical design of bridge pier foundation. Conventional investigations have long been of the opinion that empirical scour prediction equations based on laboratory data over predict scour depths. In this article, the Back-Propagation Neural Network (BPN) was applied to predict the scour depth in order to overcome the problem of exclusive and the nonlinear relationships. The observations obtained from thirteen states in USA was verified by the present model. From the comparison with conventional experimental methods, it can be found that the scour depth around bridge piers can be efficiently predicted using the BPN.     

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。     

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。     

河床溯源冲刷影响下的桥墩冲刷

主要针对河床采沙所致的溯源冲刷对水下结构物周围冲刷影响的问题,研究冲刷演变及预测方法,为结构物安全防洪提供参考。通过水槽试验观测了床面突降条件下的溯源冲刷和墩柱局部冲刷耦合发展规律及其主要影响因素,建立了溯源与局部耦合冲刷的实时计算方法。溯源冲刷耦合下的局部冲刷与平床时的冲刷之比呈上凸曲线变化,与距离、流量及跌水水头差有关;局部冲刷和溯源冲刷对总冲刷深度的贡献比是墩柱与采沙坑距离、跌水水头差及流量的函数;在河床采沙的一定影响范围内,溯源冲刷到达时的瞬间冲刷速率远大于局部冲刷速率。本文的计算方法,可用于预测溯源与局部耦合冲刷时结构物总冲刷深度的发展。