圆柱桥墩局部冲刷的试验研究_梁利博

2 .3 新公式参数的确定
在式(2)中的系数 K 和指数 n 通过对桥墩局部 冲刷试验研
究测得的数据进行率 定 。 对桥 墩局部 冲刷 实测 数据进 行多 元
回归分析从而确定系数 k 和指数 n 。分别 对不同的桥墩布置形
式的试验资料进行多元线性分析可得 :
(1)桥墩布置形式与水流 成 90°夹 角时 , k =0.390 439 , n = 2 .965 294。
圆柱桥墩局部冲刷的试验研究 梁利博 杨小 亭 张新燕 图 6 桥墩布置与水流方向成 90°的验证图
图 4 桥墩和水流夹角 θ与桥墩布置影响系数 K 的线性拟合图
图 7 桥墩布置与水流方向成 60°的验证图
图 8 桥墩布置与水流成 30°时的验证图
图 5 桥墩和水流夹角 θ与指数 n 的线性拟合图
hb = 0.320 565K ξK ηB 0.6(V 0 - V′0)(VV0 --VV′0′0)3.666 386 (5) (4)桥墩布置形式与水流成 0°夹 角时 , k =0 .264 120 , n =3.
817 434。
10 6
hb = 0.264 120K ξK ηB 0.6(V 0 - V′0)(VV0 --VV′0′0)3.817 434 根据以上计算可得 :
1 .2 试验方案设计
本试验的顺 水桥墩 采用 2 排 10 桥墩 的多级群 桩布 置 , 桥 墩采用直径 为 5 cm 的 P VC 材圆 柱式桥墩 。 按顺水 流方向 试 验分别选择桥墩轴向与水流方向成 0°、30°、60°、90°夹角四种 情
圆柱桥墩局部冲刷的试验研究 梁利博 杨小亭 张新燕
根据水流条件和泥沙特性 , 确定每组实验放 水时间为 3 h , 在放水过程中 , 分别进行流态观测 、流速 、水位测 定和冲刷深 度
测量 , 放水结束后进行相应的动床冲刷地形测 量 。
表 1 各试验组次处理参数
平均流速 桥墩的布置形式
试验 流量 Q/
V/
与水流方向
备注
组次 (m3 · s -1)
(m · s -1)
Experimental Research on Cylinder Pier Local Scour
LIANG Li-bo1 , YANG Xiao-ting1 , ZHANG Xin-yan2
(1.College o f Water Reso urces a nd Hy dropow er , Wuhan Univ ersity , W uhan 430072, China ; 2 .N o rthwest Science and T echnolog y U nive rsity of A g riculture and F o restry , Y ang ling 712100 , Shaanxi P ro vince , China) Abstract :T he pier sco ur is o ne of the majo r reaso ns for the damage of bridge s.So ex perimental research o n the pie r scour has no t only g rea t academic v alues but also im po rtant engineer ing values , social and economic benefits .Ba sed o n the measur ed data , the formula of local e rosio n can be established by theo retical deduc tions .T he new formula no t o nly takes into acco unt the multiple factor s but also increa ses the ang le θbe tw een the pier lay out and the directio n of flow .T he new st ruc ture of the formula is simple and easy .F inally , the co r rection measured data of the project verifying the new formula is used.T he result show s that the structure of the new formula is reasonable .Besides , the ex isting pie r scour pro tective methods a re generalized. Key words:cy linder pier ;local scour ;sco uring depth
所成角度/(°)
1
0 .03
0 .14
90
2
0 .06
0 .27
90
3
0 .08
0 .37
90
4
0 .03
0 .14
60
5
Байду номын сангаас
0 .06
0 .27
60
6
0 .08
0 .37
60
河床为
7
0 .03
0 .14
30
动床
8
0 .06
0 .27
30
9
0 .08
0 .37
30
10
0 .03
0 .14
0
11
0 .06
公式 。
2 .1 原铁道部科学研究院公式
20 世纪 60 年代铁道部科学研究院利 用半理论半经验的方
法建立了桥墩局部冲刷公式 , 公式中的 经验系数 是借助大量 的
实验室实验资料和天 然资 料的 分析得 到的 , 该公 式多 年来 对
我国铁路与公路桥渡 勘测设 计起 着重要 作用 。 铁道部 科学 研
收稿日期 :2009-03-30 作者简 介 :梁利博(1985-), 男, 硕士研 究生 , 研究方 向:水力学 及
河流动力学 。
了新的桥墩局部冲刷计算公式 , 并通过 试验数据 对公示中的 系 数和指数进行了率定 。
1 试验系统简介
1 .1 试验布置
根据分析 , 试验采用长 1 000 cm , 宽 150 cm , 高 60 cm 的矩 形直线开放水槽 , 并配 有独 立的 供 、回 水系 统 , 平面 布置图(如 图 1)。 水槽中上游段为定床 段 , 下游段 为动床段 , 下 游段铺 设 70 cm 厚级配均匀的天然沙 , 用于进行动床试验 , 其 中泥沙粒径 d50 =0 .547 mm , 容重为 2 .65 kN/ m3 。 实验沙颗粒级配曲线 如 图 2 所示 。
由图 4、5 可知桥墩和水流夹角 θ与 系数 K 、指数 n 的具 有
较好的线性关系 , 可信度较高 , 符合试验要求 。
所以 :K =0 .001 4 θ+0.27 , n =-0.0101 θ+3 .865 8
将带 K 、n 代入 公式(2)即可 得 到新 的桥 墩局 部冲 刷深 度
的计算公式 :
究院桥墩冲刷计算公式为 :
hb = K ξK ηB 0.6(V0 -V′ 0)(VV0 --VV′0′0)n
(1)
式中 :V 为一般冲刷后墩前 行进流速 , m/ s ;V 0 为河床泥沙起 动
流速 , m/ s;V′0 为墩 前泥 沙 起冲 流速 , m/ s ;B 为 桥墩 计算 宽 度 B , m ;K ξ为桥墩墩形系数 ;n 为指数 ;K η为河床颗粒影响系数 。
2 .2 新公式的形式
在铁道部科学研究院 公式 的基础 上增 加桥 墩布置 影响 系
数 K , 得到新的桥墩局部冲刷深度计算公式 :
hb = KK ξK ηB 0 .6(V0 -V′0)(VV0 --VV′0′ 0 )n
K
η
=
0
.8(d
1
0 .45
+
d
1
0 .15
)
(2)
V0 =
h d
0 .14
29d
105
图 1 试验水槽平面布置示意图
图 2 实验沙颗粒级配曲线 况进行试验观测 , 桥墩布置形式如图 3 所示 。 试 验时在所布 置 的圆柱桥墩上下游分别设置观测断面 , 各断面 间距 20 cm 。
将桥墩布置形式和水槽中水流流速两 个因素作为 处理 , 进
行正交组合 , 从而获得了 12 组次 试验 , 试验 组次的 参数如 表 1 所示 。
+0 .00 0
0 00
6 05
10 +h d 0.72
1/ 2
V′0 = 0 .645
d B
0 .053
V0
式中 :K 为桥墩布置影响系数 ;K ξ为桥 墩墩形系 数 ;圆柱桥 墩
K ξ=1.0;K η为河床 颗粒 影响系 数 ;V0 为 河床 泥沙 起动 流速 ,
m/ s ;V′ 0 为墩前泥沙起冲流速 , m/ s;d 为泥沙粒径 , mm 。
0 .27
0
12
0 .08
0 .37
0
图 3 圆柱桥墩的平面布置示意图
2 公式的建立
影响桥墩冲刷深度的影响因素有很多 , 在铁 道部科学研 究
院公式的基础上进一步增 加桥 墩的布 置形 式进 行推导 得到 新
的桥墩局部冲刷深度计算公式 , 并通过 试验数据 对公示中的 系
数和指数进行了 率定 , 最后 得到 新 的桥 墩局 部 冲刷 深度 计 算
hb = K ξK ηB 0 .6(0 .001 4 θ+0 .27)(V0 V′0)(VV0 --VV′ 0′ 0)(-0.010 1θ+3 .865 8)
0 引 言
桥墩冲刷是桥梁 水毁的 主要 原因之 一 。 国内 外学 者近 年 来对桥墩冲刷开 展了 诸 多的 研究 , 特别 是桥 墩 局部 冲刷 的 研 究 , 更是百家争鸣 , 百花齐放 。 所得公式主 要有两类 , 一类是 经 验公式 , 如 Jain .c.c 公式和 Chaber t 公式 , 另一类是 半经验半理 论公式 , 如 65 -1 式 、65-2 式 、65 -2 修正式 以及铁 道部科 学 研究院公式 。 经验公式一 般是 在实测 资料 或试 验资料 的基 础 上根据影响因素拟合而得出的公式 ;半 经验半理 论公式一般 是 根据一定的原理推导出公式 , 再通过试 验来率定 公式中的系 数 与指数 , 得到相应的半经验半理论公 式 。 本文通 过试验开展 了 桥墩局部冲刷的研究 , 在铁道部科学研 究院公式 的基础上建 立
(6)
表 2 桥墩布置夹角 θ与 n 、K 的关系表
桥墩与水流的夹角 θ/ (°) 0
30
60
90
桥墩布置影响系数 K 指数 n
0.264 120 3.817 434
0.320 565 3.666 386
0.349 773 3.201 080
0 .390 439 2 .965 294
分别对表 2 中 θ、K 和 θ、n 进行线性拟合 , 以寻 求夹角 θ与 系数 K 、指数 n 的关系 , 拟合直线如图 4, 5 所示 。
10 4
文章编号 :1007-2284(2010)01-0104-03
中国农村水利水电 ·2010 年第 1 期
圆柱桥墩局部冲刷的试验研究
梁利博1 , 杨小亭1 , 张新燕2
(1.武汉大学水利水电学院 , 武 汉 430072;2.西北农林科技大学 , 陕西 杨凌 712100)
摘 要 :桥墩冲刷是桥梁水毁的主要原因之 一 , 开展桥墩冲刷 的研究不 但具有重大 的学术价 值 , 而 且还具 有重要 的 工程应用价值和明显的社会经济效益 。 文章运用实测数据通过理 论推导建 立了桥墩局 部冲刷深 度计算 公式 , 新公式 在 考虑 了多方面因素的同时增加了桥墩布置与水流方向的斜交角度 θ, 新公式 结构简单 , 便于 计算 。 最后运 用已有的工 程 实测数据对新公式进行了验证 。 结果表明 , 新公式的结构 是合理的 , 可安全的应用于实践 。 关键词 :圆柱桥墩 ;局部冲刷 ;冲刷深度 中图分类号 :T V147 文献标识码 :A
hb = 0 .390 439 K ξK ηB0 .6(V0 -V′0)(VV0 --VV′0′0)2 .965 294 (3) (2)桥墩布置形式与水流 成 60°夹 角时 , k =0.349 773 , n = 3 .201 080。
hb = 0.349 773K ξK ηB 0.6(V 0 - V′0)(VV0 --VV′0′0)3.201 080 (4) (3)桥墩布置形式与水流 成 30°夹 角时 , k =0.320 565 , n = 3 .666 386。