圆柱桥墩局部冲刷机理.pdf

第9 期2023年9 月文章编号：16 7 3-9 0 0 0（2 0 2 3)0 9-0 0 0 1-0 4陕西水利Shaanxi WaterResourcesNo.9September,2023圆柱桥墩局部冲刷机理梁浩然，胡亮亮，袁浩3（1.重庆交通大学河海学院，重庆40 0 0 7 4；2.重庆交通大学航运与船舶工程学院，重庆40 0 0 7 4；3.重庆交通大学重庆西南水运工程科学研究所，重庆40 0 0 16）【摘要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。【关键词冲刷范围；冲刷深度；紊动能；最大冲深；冲刷扩散角【中图分类号U442.3+2【文献标识码】APartial Scour Mechanism of Cylindrical Bridge PiersLiang Haoran,Hu Liangliang,Yuan Hao 3(1.School of River and Ocean Engineering,Chongqing Jiaotong University,Chongqing 400074,China;2.School ofShipping and Naval Architecture,Chongqing Jiaotong University,Chongqing 400074,China;3.Chongqing SouthwestResearch Institute for Water Transport Engineering,Chongqing Jiaotong University,Chongqing 400016,China)Abstract:The flow field distribution and scouring topography of cylindrical piers under diferent flow and water depthconditions were obtained by using flume dynamic bed scouring experiments.The relationships between scour extent,scourdepth,scour diffusion angle,incoming flow and downstream water depth were analyzed.The results show that the maximumscour depth is related to the pier scale,sediment particle size and turbulent energy of the flow field;the maximum scour depthshows a single increasing trend when the flow rate increases and the water level becomes shallow due to the influence of thetraveling flow velocity and turbulent energy;the distribution rules of maximum scour width and maximum scour depth aresimilar when the flow field and water depth conditions change.The maximum scour depth of cylindrical piers at higher flowvelocities can be better predicted by this correction formula.Key words:Scouring range;scouring depth;turbulent kinetic energy;maximum scouring depth;scouring diffusionangle0引言由于受到圆柱绕流的影响，桥墩这类阻水建筑物周围的水流会形成局部冲刷。这样的冲刷就会导致桥墩的埋置深度减小，长此以往随着基础埋深的逐渐减小桥墩的稳定性就会大大降低，这会对桥身造成巨大威胁，造成巨大的安全隐惠。1桥墩冲刷研究现状在计算桥墩局部冲刷时，主要考虑桥墩特征、水流特征以及河床质特征的影响。目前的实际工程中，桥墩附近的环境比较复杂。其中水流结构和泥沙运动机理还没有严格的公式可以计算预测，故大多实际工程采用经验公式进行计算。近年来也有研究者汇总全国的研究成果得到了新收稿日期2 0 2 2-10-2 6【基金项目国家自然科学基金项目（5 2 10 9 0 7 6）；重庆市技术创新与应用发展专项面上项目（cstc2019jscx-msxmX0107）【作者简介梁浩然（19 9 8），男，四川内江人，硕士研究生，主攻方向：水力学。【通讯作者袁浩（19 8 9-），男，四川巴中人，高级工程师，主要从事水力学及河流动力学方向研究工作。第9 期2023年9 月的计算公式2 。此外张佰战等通过能量平衡的原理，通过比较不同粒径下的点群分布得出了新的桥墩局部冲刷计算公式。周玉利等综合流体因素和流动因素，总结出了新的简化公式。韩赛骞等5 总结出了潮流作用下的桥墩局部冲刷公式。桥墩局部冲刷公式见表1。本文基于经典的Melville-Chiewl冲深经验公式得到了新的圆柱桥墩在大流速下的冲刷深度修正公式。表1桥墩局部冲刷公式表公式主要参数h.为桥墩局部冲h,=K;K,B,0(v-V0)vue刷坑深度K：为墩形系数程水位为冲刷后墩前hi=K;K,B:06(v-V0)行近流速U.-oV为墩前始冲流速V-V。V.为桥墩床面起公路桥位勘测ho=-0.46 K,B0%,015 D-007冲流速Vo-VV。为河床质起动设计规流速范2K,为墩形系数V-V0.45BH1.08ho=4.37 K,K2dagddh,=0.304 K,ho-29 p0.53 D-013y 0.61h=BYKDK,K,K,2试验布置与方法试验水槽长2 0 m、宽1m、深1.1m，水槽模型示意图见图1,测点布置图见图2。水槽中部为沙槽，沙槽长2 m、宽1m、深40 cm,试验采用的细沙中值粒径dso=0.29mm。试验设置有4个流量和4个水深下的共16 个工况，每个工况包含192个测点，每个测点数据测量1分钟。本试验使用的NrotekAS公司的ADV（小威龙，最大频率200Hz）是一种单点、高分辨率流速仪，它依据声学多普勒效应使用一个发送器与三个接收器接收经水体中固体微粒散射2陕西水利Shaanxi WaterResources后产生的频率差信号，通过信号处理软件分析、合成，便可得到采样水体的三维水流速度7。试验待桥墩局部冲刷基本稳定后对桥墩附近流速场进行测量。冲刷结束后再通过红外线距离探测仪获得地形资料。流量Q桥墩消波网右岸岸壁沙坑流量Q桥墩ADV测速仪作者消波网公路工图1水槽模型示意图0.5m勘察规4范测点0.2mN4水面水面下2 cm桥墩测点.2m图2 试验段测点布置图3桥墩冲刷结果与讨论0.1K,为不均匀系数张佰战da为泥沙水下相目李付军间对密度K.为墩形系数h为行进水流深度周玉立D为河床质平均王亚玲州粒径V为行近流速为桩平面布置系数韩海骞kz为桩垂直布置熊绍隆50系数u为最大流速业为修正系数Khn为桥墩尺度经验系数K,为流速系数本文K,为泥沙粒径经验系数K,为时间因子No.9September,2023左岸岸壁水槽中线尾门三沙坑尾门2m2.0m座标原点0.5m冲刷地形结果图见图3，结果表明，冲刷坑形状呈倒圆锥形分布，最大冲深分布于边界层与桥墩分离处，本试验中地形冲刷呈对称分布，且冲刷结束后会形成燕尾形的沙丘。冲刷结果表明桥墩绕流关于x轴对称；受桥墩阻水影响墩前水流分成了两部分：当yIH0.6时，部分水流直冲桥墩，在墩前产生向上的涌流；当y/H0.6时，部分水流很明显得产生了下冲的趋势形成了墩前下潜水流。其中是水流平面在y方向上距离y轴的距离、H是水深。此外，墩后还会形成一个竖向漩涡区，产生泥沙堆积。桥墩局部冲刷的主要动力是墩前大尺度的下潜水流与横向环流。下潜水流在冲刷坑附孙志林回近沿着桥墩两侧生成漩涡，漩涡呈马蹄形分布，其使得河床泥沙向两侧及下游延伸；漩涡分布对称且不断地从桥墩后方释放出来，这样的尾流旋涡会促进桥墩下游的冲刷进一步发展，最后形成燕尾型堆积沙丘。z/mm 25-15-55 1520-200(a)Q=200 m/hz/mm-60-40-200 200-20F020406080100 x/cm(c)Q=300 m/h图3H=12cm时冲刷坑地形图f0.25m14cml12cmz/mm-25-15-551525200-2020 406080 x/cm20400(b)Q=250 m/hz/mm-8060-40-20 0 20 40200-20F20 x/cm020 x/cm(d)Q=350 m/h404060第9 期2023年9 月3.1最大冲深定义最大冲深h=ho/D,其中为实测最大冲刷深度,D为桥墩尺度（直径）；根据系统实验，最大冲深与流场、下游水深变化关系见图4、图5。分析图4、图5 结果表明，不同流量条件下，随着水深增加流速减小最大冲深均随着水深的增加而减小，流量越大、水深越浅时其规律越明显。这是由于墩前的下潜水流将墩前部的扇形区域冲刷，形成冲刷坑，随着水深逐渐减小，水流逐渐变得混乱，水流的紊动能不断增大，下潜水流具有更强的能量卷起更多泥沙；流速逐渐增大时，水流流速增大，墩前的下潜水流具有更强的动能，墩前的冲刷坑更深，且墩后的淤积也更高。系统实验表明z方向上的紊动能大大强于另外两个方向，且图6 表明水深变浅后更强的紊动能使得其在墩前的马蹄形范围内卷起更多的泥沙；下潜水流的冲击深度增大，呈现出最大冲深增大的趋势。10-0=200m/h-Q=250m/h8Q=300m/h6Q=350m7h4212图4量最大冲深与水深的关系TKEz/(m/s)515253545554020020-4002040 6080100 x/cm(a)H=12 cmTKEz/(m/)0.523.556.589.540200-20-400图6流量Q=200m%/s时不同水深下的z方向的紊动能图3.2最大冲宽定义最大冲深L=LID,其中L为实测最大冲刷宽度,D为桥墩尺度（直径）。根据系统实验，冲刷扩散角与流场、下游水深变化关系见图7,最大冲宽与流速水深的关系见图8。其表明最大冲刷宽度受水深的影响较为明显，由于桥墩绕流的挤压作用使两侧流的流速加大形成局部水面的跌落与回升，桥墩末端形成尾流涡旋区1。根据圆柱绕流涡的脱落模式9-12,由于涡的自旋会消耗能量，而行进流速大时，涡的自旋时间变短，这使得涡可以携带泥沙运动到更远的位置，即冲刷的水平距离变远。涡彼此接近时的相互旋转碰撞也会消耗能量，大的流速下这个过程会变短，这使得能量消耗进一步减小。实验时可以明陕西水利Shaanxi Water Resources显地观察到桥墩后方存在对称分布的、吸附在桥墩上的涡；涡在脱离桥墩时具有横向扩散的趋势，高流速下吸附在桥墩上的涡具有更强的扩散趋势，随着这个横向扩散趋势的增大，扩散角度增大，被挤压的水流远离桥墩的角度增大使得冲刷的范围也随之增大。z方向上的紊动能是桥墩冲刷过程中的重要影响因素。紊动能随水深变化图见图9,其表明水深对紊动能的变化影响较大。水深对于最大冲宽的影响实质上是水深变化引起了紊动能的变化。随着水深的降低，绕柱水流在桥墩后方汇集并逐渐变得杂乱。紊动能增加使得冲深范围扩大，最大冲宽随即扩大。-0=200m/h45Q=250m/h0=300m/h$Q=350m/h830F1512-H=12m/h8H=14m/h-H=16m/h-H=18m/h42142001618水深H/cm50100 x/cm(c)H=16 cmNo.9September,2023-0200m/hQ=250m/h-0=300m/hQ=350m/h6421416水深HIcm图7 大不同流量下冲刷扩散角与水深的关系250300350流量Q/(m/h)图5最大冲深与流量的关系TKEz/(m/s)135 7 9 1140F200-20-40050100 x/cm(b)H=14 cmTKEz/(m/s)1340200-20-4015020018100-0-H=12(/)/聘装80H=1460-H=1640+H=18200-100-500 x/cm图9相同流量下y=0平面紊动能变化图对系统实验的最大冲宽实测数据进行分析，发现其轨迹15020057020 x/cm(d)H=18 cm12图8不同流量下最大冲宽与水深的关系12-+30%误差线10-30%误差线8642501001500200024681012实测值图10最大冲宽误差分析图与厂分布较为相似：B4-1xf(x,)XT()e利用T分布对水深和流量与最大冲宽的关系进行线性拟合得到最大冲宽L*与水深H和流量Q的关系为：HL*=2.561Q(-1.3640e-0.27(号)2.75将本系统实验数据代人公式得到最大冲宽误差分析图见图10,其拟合较好。3.3修正公式经验公式一般是通过大量的实验数据和天然观察资料拟合而来，但为了安全起见往往按照数据的外包线确定公式参数，其结果一般大于资料的平均值。在本文的实验工况下，经验公式计算结果与实测数据的相差较大。于是为了找到更符合本研究情况下单圆柱桥墩的最大冲深经验公式，引人了经典的Melville-Chiewll经验公式,t时刻的冲深刷深度y,（t)：y,(t)=KDK,K;K,(3)根据不同的桥墩直径与水深的比值的经验系数KhD：(2.4DKio=2(hD)0.5(4.5h14水深H/cmDIh0.70.7D/h516318(1)(2)(4)第9 期2023年9 月基于流速与起动流速的比值的经验系数K：(VIVcKi=1（1基于桥墩直径与泥沙中值粒径的比值的经验系数K：0.571og(2.24Dldso)Kd=y(t)K,=exp-0.03yVDV48.26-0.4VVcDV30.89-0.4VVc式中：dso为泥沙中值粒径；K,为时间因子；D为桥墩直径，h为水深；V为流速；V为起动流速；y，为平均冲刷深度。使用Melville-Chiew经验公式得到的差异分析图见图11。通过对比计算值与实测值发现，在流速较小时,Melville-Chiew经验公式吻合较好，但为了找出更为符合大流速下的圆柱桥墩冲深公式，于是根据最大冲深与流量、水深和流速以及中值粒径的关系引人常数亚：0.0116QvY(Q,h,v,dso)=5dsolf0.0174Quy(Q,h,v,dso)5dsolH式中：Q为流量；H为下游水深；v为流速；dso为泥沙中值粒径，符号的单位均为国际制基本单位。基于Melville-Chiew经验公式得到符合本系统实验下的桥墩冲刷最大冲深修正公式为：(11)式中：h为本文定义的无量纲最大冲深。Melville-Chiew经验修正公式误差分析图见图12,经过修正公式得到的结果更为符合大流速下单圆柱桥墩系统实验结果。本文研究的最大冲深h为实测最大冲深与桥墩直径的比值，为无量纲数。为了使之与通用的冲刷深度表述统一，将公式修改为：h=DKhDK,K,K,式中所有符号的单位均为国际制基本单位。12-+30%误差线10.-30%误差线8642图11Melville-Chiew公式差异分析图4陕西水利Shaanxi WaterResources4结论VIVc1Dlds5o11.6V1nh0.25DV6D(8)h6D(9)24681012实测值形成了局部水面的跌落和回升，在桥墩后方尾流形成了涡旋区。流速大时，涡旋区内的涡能量大、流场紊动能大，水流扩散的角度增大，被挤压的水流远离桥墩的角度增大使得冲刷的范围随之增大。（3）本文给出了桥墩冲刷的最大冲宽的拟合经验公式；此外本文还对比了国内其他研究者的桥墩最大冲深计算公式，基于Melville-Chiew公式，提出了更为符合本文工况下的圆柱桥墩在较大流速下的最大冲深修正计算公式。1JTGC30-2002,公路工程水文勘测设计规范S.2JTJ062,公路桥位勘测设计规范S.3张佰战，李付军.桥墩局部冲刷计算研究J.中国铁道科学,2 0 0 4(02):49-52.4周玉利，王亚玲.桥墩局部冲刷深度的预测J.西安公路交通大学学报,19 9 9（0 4):48-5 0.5】韩海骞，熊绍隆，孙志林.潮流作用下桥墩局部冲刷深度计算公式的建立与验证J.泥沙研究,2 0 16（0 1）：9-13.6 Melville B W,Chiew Y.Time Scale For Local Scour At Bridge PiersJ.Journal Of Hydraulic Engineering,19,125(1):59-65.7何小花桥墩紊流宽度的试验研究J.水利水运工程学报2 0 0 6(3):4953.8孙东坡，杨慧丽，张晓松，等.桥墩冲刷坑的三维流场测量与数值模拟J.水科学进展，2 0 0 7,0 18（0 0 5）：7 11-7 16.9张宇飞，肖志祥，符松.流向强迫振荡圆柱绕流的涡脱落模态分析J.力学学报,2 0 0 7（0 3）:40 8-416.10丁代伟.圆柱绕流及涡激振动的二维数值模拟D.天津大学，2010.11丁汉新，范宝春，周本谋，等.圆柱绕流的边界层及其电磁控制.南京理工大学学报，2 0 0 5,2 9（3）：4.12凌国灿.圆柱绕流旋涡运动及离散涡方法J.力学进展，19 8 5(04):458-470.参考文献