环翼式桥墩最优挡板形状试验

为研究环翼式桥墩的最优挡板形状,基于桥墩局部冲刷机理,进行了不同流量和不同环翼式挡板形状下的环翼式桥墩局部防冲刷水工模型试验。在环翼式挡板延伸长度为45 mm、位置在水深的1/3处,研究了不同流量、不同挡板形状的桥墩最大冲刷深度、三维时均流速及纵向和垂向紊动强度。结果表明:与无挡板相比,挡板前端和尾端宽度都为45 mm时水流垂向流速减小程度最大;纵向、垂向紊动强度减小程度最大;最大冲刷深度可减小57.6%,防冲刷效果明显。     

环翼式桥墩挡板形状对垂向水力特性的影响

根据桥墩局部冲刷机理,通过桥墩加装环翼式挡板减小局部冲刷的试验研究,分析了加装环翼式挡板后,水流在桥墩四周的垂向水力特性。试验结果表明:桥墩迎流面中心线的垂向速度在安放挡板位置处有拐点。3种形状的挡板中,形状为A1的挡板的近底垂向流速减小幅度最大,影响水流紊动宽度也最大,同时表层垂向紊动强度、近底垂向紊动强度减小幅度也最大。利用CFD软件进行数值模拟分析发现,与物理模型所得结果相吻合。     

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。     

环翼式桥墩周围水力特性试验研究

为分析环翼式桥墩周围水流流速分布特征,根据桥墩局部冲刷机理,进行了三种流量、三种水深、三种挡板位置的模型试验。试验结果表明:桥墩周围的表层纵向流速、表层横向流速仅仅受到水流波动的影响。挡板与河床的距离越小,桥墩中心线上的近底纵向流速越大,中心线上及墩侧一定范围的近底横向流速越大,但是近底垂向流速却越小。当挡板距离河床底部为0.3倍水深时,靠近河床边壁处各向流速受挡板影响不大,但是靠近桥墩中心处各向流速在挡板所在位置都有尖点,同时,靠近桥墩中心处的纵向相对紊动强度在测点高度与水深比值为0.4处有极大值。     

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。     

多个环翼式桥墩冲刷影响研究北大核心

为研究多个环翼式桥墩间的局部冲刷影响,利用正交试验设计,考虑2个试验指标(墩前近底垂向流速、最大冲坑深度),选择3个有关因素(防冲板半径A、防冲板安装高度H和桥墩横向间距S)进行条件试验,对试验结果进行极差和方差分析,确定3个因素的主次关系。结果表明,主次关系的排列为防冲板的安装高度、防冲板半径、桥墩横向间距,且防冲板的安装高度和防冲板的半径对防冲效果的影响远远大于桥墩横向间距。     

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。     

导流板对桥墩周围紊动特性的影响

水流通过桥墩在桥墩区域形成复杂的三维流场,会对桥墩底部冲刷和桥区通航产生很大的影响,所以控制桥墩紊流区水流形态十分重要。采用RNGκ-ε紊流模型对桥墩绕流进行三维数值模拟,在墩尾设置不同长度导流板,计算分析墩周围的水流紊动强度值。设置导流板后,墩周围X/D=0~5.3断面的水流最大紊动强度值明显减小,而墩后的紊动强度普遍有减小趋势,且长度不同的导流板对同一墩型的绕流控制作用不同。合适长度的导流板能束窄紊动强度变化值σ0.1的范围,即能减小紊流宽度。     

方形桥墩紊动特性及尾涡区尺寸PIV试验

为探讨方形桥墩周围紊动特性和墩后尾涡区尺寸变化规律,基于粒子图像测速(PIV)技术对方形桥墩附近水流结构进行了测量,并对不同雷诺数(7500≤Re≤20000)下方形桥墩附近紊动特性和墩后尾涡区尺寸进行了分析。结果表明:墩侧紊动强度沿横向先增大至极大值,而后迅速减小至零附近,且随着雷诺数的增大,墩侧水流紊动的影响范围逐渐扩大;根据实测数据,拟合出桥墩相对紊流宽度和墩后尾涡区相对时均体积与弗劳德数的关系式,两者与弗劳德数分别存在较好的幂函数和二次函数关系,同时拟合得到了墩后尾涡区相对时均面积与相对水深和弗劳德数的关系式,且相关性良好。     

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。     

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。     

宽尾墩与消力墩在班多水电站的应用

结合班多水电站整体水工模型试验,提出了利用宽尾墩能够收缩水流、抬高闸室内水面的特点,改善了泄洪闸堰面上出现的负压;针对下游河床冲刷偏深的问题,通过在混凝土护坦上设置消力墩,极大地减轻了下游冲刷.试验推荐的修改体型已经被工程采用.     

圆端形桥墩侧向紊流宽度的试验研究

在水槽中进行概化试验,采用三维声学多普勒测速仪(ADV)测量圆端形桥墩周围三维流场及紊动强度分布.分析有桥墩时的紊流强度垂向分布及有、无桥墩时紊流强度比值的横向分布变化,分析结果表明,垂线上紊流强度最大位置在0～0.2 h与0.8h～1.0h两个区间,桥墩对紊流强度的变化影响存在极值,极值大小和出现位置与流速有关,流速越大,极值越大,且极值位置与桥墩的距离也越大.根据极值出现位置离桥墩距离确定紊流宽度,给出了桥墩紊流宽度与弗汝德数的关系.     

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.     

桥墩沉井吸泥下沉冲刷试验研究

本项试验是确定黄河长东二桥施工期间沉井吸泥下沉时,是否危及附近既有桥安全,以及设计洪水流量条件下新桥的局部冲刷深度。为探索模拟沉井通过吸泥逐步下沉及其周围局部冲刷相似的试验方法,除一般局部冲刷常用的相似准则以外,还计入了沉井重力相似、吸泥(输沙量)相似、沉井外壁摩阻相似等方面的相似准则。并研究拟定了一些论证沉井逐步下沉时对附近既有桥安全影响的试验方案和判别方法。     

挟沙水流床面冲刷深度试验研究

在清水冲刷粗化层极限冲刷深度研究的基础上,结合室内概化水槽试验,探讨了挟沙水流床面冲刷问题。不同来沙条件下床面冲刷深度水槽试验观测成果表明,随着上游单宽加沙率的增加,挟沙水流床面冲刷深度减小,挟沙水流相对冲刷深度与相对来沙条件呈线性变化趋势。参考爱因斯坦推移质输沙率公式,建立了一个能够综合反映来水来沙条件以及床面条件的床面冲刷深度计算公式。该公式计算值与试验实测值吻合良好。     

翼型裂纹扩展特性的试验和数值分析

采用模型试验研究了受压条件下张开型翼型裂纹的断裂规律,得出了翼型裂纹的扩展路径及翼型裂纹的扩展载荷特性。通过PYTHON语言对有限元软件ABAQUS进行了二次开发,实现了裂纹扩展中网格自动重新划分功能,对裂纹的扩展过程进行了数值模拟,得出了裂纹扩展路径及其复合应力强度因子的大小。计算结果与试验结果吻合良好。结果表明：(1)压缩作用下张开型裂纹,其翼型裂纹路径具有明显渐近特征,其扩展路径的渐近线为过初始裂纹中心点、且平行于最大主应力方向的一条直线;(2)曲线翼型裂纹的复合应力强度因子大体上随翼型裂纹的长度的增加逐渐变小;对有限尺寸的裂纹体,当翼型裂纹长度较大时,其大小受边界效应影响明显。以上结论为研究岩土工程中存在的翼型裂纹扩展和失稳规律提供参考     

桥墩冲刷对岸坡稳定的影响及防护工程设计

在河道中建造桥墩,会引起桥墩附近水流状态发生很大变化,致使河床产生一般冲刷和局部冲刷,进而影响桥墩附近岸坡的稳定,并有可能对河势的稳定产生不利影响。分析了在安徽省长江河道上建设桥梁后岸坡冲刷及对其稳定的影响。指出桥梁设计单位应重视桥墩冲刷影响岸坡稳定的问题,并应采取适当的防护措施。比较了几种岸坡防护工程型式后,提出了针对桥墩冲刷影响岸坡稳定进行防护工程设计的要点。      

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。