專利名稱：一種橋梁墩臺最大沖刷深度的測控方法
技術領域：
本發明屬于橋梁設計領域，尤其涉及一種橋梁墩臺最大沖刷深度的測控方法。
背景技術：
建橋后，由于橋梁墩臺對水流的阻礙，將引起橋墩周圍水流結構的劇烈變化，在其前沿形成下降水流，垂直向下，猛烈沖刷床面泥沙，在墩臺前形成漏斗形的沖刷坑，稱為局部沖刷。隨著沖刷的不斷進行，細顆粒泥沙被帶走，粗顆粒泥沙遺留下來，河床逐漸粗化，最終也會達到新的沖淤平衡狀態，此時局部沖刷結束，形成的沖刷坑的最大深度叫做局部沖刷深度。局部沖刷坑的深度和大小，與很多因素有關，除涌向橋墩水流的行近流速外，主要的還有橋梁墩臺寬度、水深和床沙粒徑等。半個世紀以來，很多國家的學者對橋梁墩臺局部沖刷做了大量的模型試驗研究，獲得了豐富的試驗資料，并為橋梁墩臺設計預測橋梁墩臺沖刷深度提供了測控方法。據不 完全的統計，國內外學者從不同途徑、設想撰寫發表的局部沖刷深度計算公式約有50個。目前，俄國多數設計院使用的公式是前蘇聯1972年制定的《鐵路公路勘測設計規范》中的公式；美國設計部門多數采用美國聯邦公路局(FHNA)在1980年I月關于橋墩局部沖刷的研究報告中發表的公式。近20年來這方面沒有多大進展，除了搞室內試驗外，還著重現場實橋觀測資料的收集，力圖從不同角度得出更為簡單并能實際應用的計算公式。我國開展橋梁墩臺局部沖刷的研究工作始于1958年，1964年提出65_1、65_2兩個計算公式，包含的因素較為全面，特別是對河床底沙運動的考慮，是外國一些公式所不及的。橋墩的局部沖刷，建橋后，橋位河段水流結構發生改變。橋墩周圍的水流結構主要包括墩前向下水流、墩前水面涌波和橋墩周圍尺度很大的旋渦體系。旋渦體系是一種復雜的水流結構，是預測橋墩局部沖刷的主要因素。其中包括墩前下降水流和兩側繞流在床面附近形成的馬蹄形漩渦以及在墩兩側邊界層分離形成的尾流漩渦以及在墩兩側和墩后由床面附近釋放的小漩渦。旋渦形成一個低壓中心，牽動馬蹄形旋渦區內的流體不斷地進行橫向、豎向和前后擺動，劇烈淘刷橋墩迎水端和周圍泥沙，形成局部沖刷坑。伴隨旋渦的產生，床面靜止的泥沙突然呈現陣發性隨機運動狀態，在橋墩下游兩側旋渦相匯，泥沙沉積形成很長的沙脊。當行近流速較小時，在橋墩下游約8倍墩徑(寬)處旋渦消失。通常橋墩迎水面兩側附近旋渦速度最大，對床沙作用最強。當這里的流速達到床沙啟動流速時，床沙開始向下游移動，橋墩開始沖刷。這時橋墩上游的行近流速V' ^大約等于O. 4至O. 6倍的床沙起動流速Vci,該行近流速稱為起沖流速。當橋墩上游的行近流速V低于床砂起動流速Vtl時，床面無泥沙運動，橋墩沖刷坑沒有上游沖來的泥沙補給，稱為清水沖刷。行近流速V超過床砂起動流速Vtl時，床面泥沙處于運動狀態，上游泥沙落入沖刷坑，坑內泥沙得到補給，稱為動床沖刷。清水沖刷當沖刷坑內的流速逐漸趨近于泥沙起動流速時，沖刷趨向于停止；動床沖刷當沖刷坑內的泥沙補給率和輸出率趨向于平衡時，沖刷趨向于停止，這種狀態稱為平衡沖刷，我們通常所指的局部沖刷就是指沖刷平衡時的局部沖刷深度。橋梁墩臺的局部沖刷達到穩定沖刷深度都需要一定的沖刷時間才能完成，而已有的沖刷試驗資料表明，沖刷穩定時間的長短，隨流速比νΛ、水深h和泥沙粒徑d有關，與建筑物的尺寸大小和形狀無關。因此，進行局部沖刷的試驗研究時，要保證達到平衡局部沖刷需要很長的時間，如果沖刷時間不夠，很難確定所得結果是否為真實的橋墩局部沖刷深度。對于清水沖刷來說，一般沒有問題，因為在整個過程中，局部沖刷坑內沒有得到上游河床輸移來的泥沙補給，所以清水沖刷能夠一直進行下去并最終達到平衡沖刷；但是對于動床沖刷來說，由于有上游來沙補給，因而達到平衡沖刷需要較長的時間，如果滿足動床沖刷的水流條件的時間小于達到動床沖刷所需要的時間，則平衡沖刷不能達到；對于一般的沖積河流來說，天然情況下這種時間通常來說都是能夠得以滿足的，因為其水深和流速常年能夠保持在一定的水平，因而局部沖刷一直在進行，并在經歷較長的時間后達到平衡沖刷深度。 目前，在我國使用的局部沖刷深度公式主要有以下一些1、65-1 公式
權利要求
1.一種橋梁墩臺最大沖刷深度的測控方法，其特征在于，所述測控方法包括以下步驟 第一步通過橋位河段鉆機在河底鉆孔取沙，用不同篩徑的篩子分選各級床沙，用電子天平稱重，計算小于某一粒徑的質量，粒徑小于Imm的床沙用粒度分析儀測量確定，繪制級配曲線并確定床沙中值粒徑d5(l ； 第二步收集建橋前的橋位河段地形圖，在橋位上下游I 2km河道順直段各選擇一個斷面作為計算起始點，選取主流河槽附近河底地形高程最低點，沿主流河槽在兩斷面之間繪制深泓線，測量出兩斷面間距離，根據繪圖比尺得到天然河段兩斷面間間距，計算床面比降J ; 第三步收集橋位河段流量資料，繪制流量過程曲線，選擇典型洪水流量過程，推求設計洪水洪峰流量Q，并根據大橋橋長L計算橋位斷面的單寬流量q ； 第四步根據大比降卵礫石河流河段實際調查結果，做橋臺沖刷概化試驗，變坡水槽長為16米，寬為I米，水位采用精度為O. Imm的測針讀取，流量采用自控系統控制，地形采用二維地形測量儀測量；為使試驗具有良好的水流條件，試驗段布置在變坡水槽出口 I 5米處鋪沙，其中橋墩置于3米位置； 第五步橋臺沖刷概化試驗中動床模型比降選取O. Ol和O. 018兩種，墩徑設置O. 05m、O. Ilm和O. 16m三個方案，模型床沙中值粒徑選取O. 0075m和O. 004m兩組，控制多組單寬流量，進行24組次試驗； 第六步根據橋臺沖刷概化試驗統計數據，對單寬流量q，床面比降J，床沙中值粒徑CU以及墩徑B，采用多參數相關分析方法對橋墩周圍的局部沖刷深度hb進行公式擬合。
2.如權利要求I所述的測控方法，其特征在于，所述測控方法中動床模型是根據大比降卵礫石河流河段實際調查后概化的，具有同類河流的一般特征，包括河相特征和洪水特征。
3.如權利要求I所述的測控方法，其特征在于，所述測控方法中根據大比降卵礫石河流河段上橋涵設計情況，橋墩墩徑基本是I. O I. 5m的圓柱形墩，在動床模型中將墩徑概化為具有普遍意義的IOcm圓柱樁。
4.如權利要求I所述的測控方法，其特征在于，所述測控方法中橋墩沖刷深度與橋位處洪峰最大單寬流量、河床比降以及河床的粒徑組成關系較大，一般說來，隨單寬流量、河床比降呈增加趨勢，而隨河床粒徑呈減小趨勢。
5.如權利要求I所述的測控方法，其特征在于，所述測控方法中采用多參數相關分析對橋墩周圍的局部沖刷深度進行公式擬合，得出如下橋墩沖刷深度公式\ = 0.6( 0 52J005^3 式中hb-橋墩最大沖刷深度，指建橋前床面至沖刷坑底距離； J-建橋前的河床比降； q-橋位斷面的單寬流量，由洪峰流量和橋長決定，q = I 10m3/s. m,單位為m3/s · m ; d50-床沙中值粒徑，取樣由鉆孔資料確定，取樣孔不少于3個，d50 = O. 013 O. 054m。
6.如權利要求I或5所述的測控方法，其特征在于，所述下橋墩沖刷深度公式是在特定樁型和樁徑的動床沖刷試驗中得出，擬合公式相關系數為R2 = O. 85。
全文摘要
本發明屬于橋梁測設計域，提供了一種橋梁墩臺最大沖刷深度的測控方法，首先設計橋墩沖刷試驗方案，然后對動床試驗結果進行分析，針對在特定的洪水過程中，橋墩沖刷深度和橋位處洪峰最大單寬流量、河床比降以及河床的粒徑組成關系較大，隨單寬流量、河床比降呈增加趨勢，而隨河床粒徑呈減小趨勢。采用多參數相關分析對橋墩周圍的局部沖刷深度進行公式擬合，得出了橋墩沖刷深度的擬合公式，針對性較強，適合于大比降卵礫石河流河段所建橋涵，擬合公式相關系數較高，解決了現有的計算橋墩的局部沖刷深度的公式，不適用于大比降卵礫石河流河段，計算不合理的問題。
文檔編號E02B1/02GK102864756SQ20121033064
公開日2013年1月9日 申請日期2012年9月10日 優先權日2012年9月10日
發明者付旭輝, 胡江, 張艾文, 蘭艷萍, 楊勝發, 李文杰, 謝龍, 龔久南 申請人:重慶交通大學