砂土中圓形橋墩局部沖刷試驗研究

周正翰

(華北水利水電大學，鄭州 450000)

1 概 述

沖刷可定義為移除橋墩、橋臺、丁壩和路堤周圍的材料，這些材料是由橋梁子結構構件和路堤附近的水流加速和湍流引起的，沖刷是指清除流動水中構筑物周圍或附近的沉積物。橋墩沖刷是橋梁失效的最主要原因。隨著氣候變化，可能導致更嚴重和更頻繁的洪水，降低橋梁失效風險變得越來越重要。由于水流方向或高速水流的突然變化，河流中放置的任何結構物，無論是自然或人為原因，都將傾向于促進沖刷和沉積。沖刷長期以來被認為是對橋墩性能的嚴重危害[1]。

Oscar[2]對砂土中圓形橋墩處三維沖刷坑幾何形狀的時間變化進行了實驗研究。采用一種新的高分辨率非侵入式方法，測量了隨時間變化的沖刷坑幾何形狀。從研究中獲得的數據可用于改善橋梁沖刷監測和數值模擬試驗結果。陳啟剛等[3]提出了一個半經驗模型，用于估算未暴露基礎的圓柱形橋墩沖刷深度的時間發展，有基礎的空心橋墩被視為非均勻橋墩，該模型的模擬結果與實驗數據吻合較好。齊梅蘭等[4]在其最近的研究中指出，實驗室開發的沖刷預測方法和基于實驗室數據的沖刷方程并不總能在現場條件下產生合理的結果。研究表明，實驗室調查往往過分簡化或忽略橋墩周圍流場的許多復雜特性。

其他相關學者也進行了大量研究，以預測沖刷坑的最大深度和直徑[5-7]。沖刷一直是海洋和水工結構物安全的主要問題。隨著局部沖刷的進行，大量水工建筑物遭到破壞，逐漸破壞了基礎。重要的是應控制水工建筑物下游的局部沖刷深度，以確保這些結構的安全。

本研究的主要目標是研究有環橋墩和無環橋墩沖刷的時間發展。在這項工作中，通過試驗研究，以調查橋墩形狀、流量和時間對主要沖刷坑尺寸的影響。此外，還研究了最大沖刷深度及其沿縱向和橫向的模式。

2 實驗裝置

2.1 實驗儀器

實驗在華北水利水電大學水力學實驗室的矩形透明玻璃水槽中進行，水槽的總長度測量為9.45 m。該長度包括入口、出口和工作段，水槽的長度足以提供穩定的流動條件。水槽深45 cm，河床寬度約30 cm。水槽建造在可調鋼架上，高于實驗室地板1.3 m。水槽配有兩個控制閘門，一個垂直閘門位于工作段上游，一個尾門位于水槽下游。進入通道的水由建造在實驗室地面以下的集水池供應。離心泵的最大容量為27 L/s，用于提升水并將其供應至渠道。流量通過安裝在水槽末端的V形切口測量。安裝在滑動鋁框架上的兩點測量儀，用于測量橋墩上游和下游的表面高程。

2.2 實驗程序

在水槽渠道段的中間放置一個圓柱形橋墩，橋墩的圓柱形與圓形橋墩相似，直徑為5 cm的木制圓形橋墩固定在距上游2.5 m處的水槽床上。河床用沙子徹底整平，在渠道開始流動之前，用滑動測點儀測量河床的初始標高(高程)。在上游和下游分別安裝相同的移動儀表，以不同的時間間隔對河床的所有水位進行測量。每次運行都是通過讓水以規定的流速流過水平床開始的。

對于每次運行，保持不同的排放，并允許水連續流動5、10、15、30、60和120 min。在每個規定的時間間隔后，使用相同的移動量規測量砂層的高程。沖刷深度測量沿3個方向進行，即X1(在橋墩/縱向中心線內)、X2(在同一縱向但靠近河道邊界且平行于橋墩中心線)，沖刷深度變化也在橫向(Y)進行，見圖1。水槽中橋墩的布置見圖2。

圖1 圓形橋墩模型

圖2 水槽中圓柱形橋墩的布置

2.3 沉積物材料

河床材料為粒徑在0.075～2.00 mm之間的沙子混合物。填充在渠道的工作段中，厚度約為11 cm，床料為砂。

3 結果和討論

沿著河道和橋墩附近的沖刷深度變化可通過在Plex iglas的不同部分(每個部分間隔10 cm)和橋墩表面上安裝的刻度直接觀察到。橋墩處的沖刷模式和橋墩附近的沖刷見圖3和圖4。

圖3 橋墩處的沖刷模式

圖4 橋墩附近的沖刷

所獲得的結果顯示了沖刷深度在縱向上分別隨距離X1、X2和橫向上隨距離Y的變化，見圖5-圖7，其中使用一個流量。在這組運行中，流速保持在5.82～16.88 L/s的流速范圍內。從縱向X1和X2不同流速的所有運行中獲得的觀測結果表明，上游沖刷深度相對較高，而橋墩下游沖刷深度較小。研究發現，最大沖刷深度大約在運行1 h后達到，在接下來的1 h內，沖刷深度幾乎沒有增加。在橋墩中心線測量縱向X1的沖刷深度變化，而在河道邊界附近測量不同時間間隔(從5、15、30、60 min開始，直至120 min)的縱向X2的沖刷深度變化。從X1系列的圖表中可以明顯看出，砂床的標高略高于橋墩下游河床的初始標高，之后隨著時間間隔的增加而降低，其原因是橋墩上游附近的侵蝕材料沉積。橫向沖刷深度隨距離Y的變化在橋墩兩側幾乎相同。橋墩中心線位于X1=32.5 cm處。每次讀取時，通過打開和關閉流量開關來記錄系列-I數據(圖8)，而系列-II數據(圖9)則記錄為流量的延續。

圖5 沖刷深度隨縱向的變化(X1)

圖6 沖刷深度隨縱向的變化(X2)

圖7 沖刷深度隨橫向的變化(Y)

此處描述的所有結果表明，隨著縱向和橫向流速的增加，最大沖刷深度增加。研究發現，橫向沖刷深度隨距離Y的變化趨勢與橋墩兩側幾乎相同，但與較小流量的結果相比，最大沖刷深度略高。

測量不同流速下圓柱橋墩周圍的最大沖刷深度，并以圖形展示試驗結果，以預測圓柱橋墩周圍的平衡沖刷深度。沖刷坑深度的變化見圖8和圖9。有由圖8和圖9觀察到，隨著水流深度的增加，沖刷坑深度增加，但增加速率不是線性的。很明顯，最大沖刷深度取決于時間和流速。此外，隨著渠道流量的增加，沖刷坑的初始深度也在增加；隨著時間的增加，飽和達到平衡沖刷深度。

圖8 最大沖刷深度隨時間的變化(系列-I數據)

圖9 最大沖刷深度隨時間的變化(系列-II數據)

本研究結果表明，最大沖刷深度高度依賴于試驗持續時間，沖刷坑深度隨著引發沖刷的增加流量持續時間的增加而增加。在橋墩處觀察到的沖刷量也隨著試驗持續時間的增加而增加，橋墩沖刷坑的時間發展取決于橋墩是否安裝了置于河床水平的軸環。

4 結 論

局部沖刷監測對于避免可能發生的重大損害非常重要。本文對砂土中圓形橋墩三維沖刷坑幾何形狀隨時間的變化進行了試驗研究，試驗結果為不同沖刷階段(即初始階段、發展階段、穩定階段和平衡階段)的定量定義提供了信息。通過進行一系列試驗并分析本研究中給出的橋墩局部沖刷結果，可以得出以下結論：沖刷深度隨時間增加，但沖刷深度的增加率在較長時間間隔內下降；流速對沖刷深度有影響，流速越大，沖刷深度越大；最大沖刷深度出現在橋墩上游；最大沖刷深度取決于時間和流速，最大沖刷深度也隨著流量和時間的增加而增加；沉積物的粗糙部分沉積在橋墩的下游區域；橫向沖刷坑尺寸幾乎相同。結果顯示，沖刷可能需要較長時間才能達到漸近狀態，研究所提供的數據可用于改善橋梁沖刷監測和數值模擬試驗結果。