砂土中圆形桥墩局部冲刷试验研究

周正翰

(华北水利水电大学，郑州 450000)

1 概 述

冲刷可定义为移除桥墩、桥台、丁坝和路堤周围的材料，这些材料是由桥梁子结构构件和路堤附近的水流加速和湍流引起的，冲刷是指清除流动水中构筑物周围或附近的沉积物。桥墩冲刷是桥梁失效的最主要原因。随着气候变化，可能导致更严重和更频繁的洪水，降低桥梁失效风险变得越来越重要。由于水流方向或高速水流的突然变化，河流中放置的任何结构物，无论是自然或人为原因，都将倾向于促进冲刷和沉积。冲刷长期以来被认为是对桥墩性能的严重危害[1]。

Oscar[2]对砂土中圆形桥墩处三维冲刷坑几何形状的时间变化进行了实验研究。采用一种新的高分辨率非侵入式方法，测量了随时间变化的冲刷坑几何形状。从研究中获得的数据可用于改善桥梁冲刷监测和数值模拟试验结果。陈启刚等[3]提出了一个半经验模型，用于估算未暴露基础的圆柱形桥墩冲刷深度的时间发展，有基础的空心桥墩被视为非均匀桥墩，该模型的模拟结果与实验数据吻合较好。齐梅兰等[4]在其最近的研究中指出，实验室开发的冲刷预测方法和基于实验室数据的冲刷方程并不总能在现场条件下产生合理的结果。研究表明，实验室调查往往过分简化或忽略桥墩周围流场的许多复杂特性。

其他相关学者也进行了大量研究，以预测冲刷坑的最大深度和直径[5-7]。冲刷一直是海洋和水工结构物安全的主要问题。随着局部冲刷的进行，大量水工建筑物遭到破坏，逐渐破坏了基础。重要的是应控制水工建筑物下游的局部冲刷深度，以确保这些结构的安全。

本研究的主要目标是研究有环桥墩和无环桥墩冲刷的时间发展。在这项工作中，通过试验研究，以调查桥墩形状、流量和时间对主要冲刷坑尺寸的影响。此外，还研究了最大冲刷深度及其沿纵向和横向的模式。

2 实验装置

2.1 实验仪器

实验在华北水利水电大学水力学实验室的矩形透明玻璃水槽中进行，水槽的总长度测量为9.45 m。该长度包括入口、出口和工作段，水槽的长度足以提供稳定的流动条件。水槽深45 cm，河床宽度约30 cm。水槽建造在可调钢架上，高于实验室地板1.3 m。水槽配有两个控制闸门，一个垂直闸门位于工作段上游，一个尾门位于水槽下游。进入通道的水由建造在实验室地面以下的集水池供应。离心泵的最大容量为27 L/s，用于提升水并将其供应至渠道。流量通过安装在水槽末端的V形切口测量。安装在滑动铝框架上的两点测量仪，用于测量桥墩上游和下游的表面高程。

2.2 实验程序

在水槽渠道段的中间放置一个圆柱形桥墩，桥墩的圆柱形与圆形桥墩相似，直径为5 cm的木制圆形桥墩固定在距上游2.5 m处的水槽床上。河床用沙子彻底整平，在渠道开始流动之前，用滑动测点仪测量河床的初始标高(高程)。在上游和下游分别安装相同的移动仪表，以不同的时间间隔对河床的所有水位进行测量。每次运行都是通过让水以规定的流速流过水平床开始的。

对于每次运行，保持不同的排放，并允许水连续流动5、10、15、30、60和120 min。在每个规定的时间间隔后，使用相同的移动量规测量砂层的高程。冲刷深度测量沿3个方向进行，即X1(在桥墩/纵向中心线内)、X2(在同一纵向但靠近河道边界且平行于桥墩中心线)，冲刷深度变化也在横向(Y)进行，见图1。水槽中桥墩的布置见图2。

图1 圆形桥墩模型

图2 水槽中圆柱形桥墩的布置

2.3 沉积物材料

河床材料为粒径在0.075～2.00 mm之间的沙子混合物。填充在渠道的工作段中，厚度约为11 cm，床料为砂。

3 结果和讨论

沿着河道和桥墩附近的冲刷深度变化可通过在Plex iglas的不同部分(每个部分间隔10 cm)和桥墩表面上安装的刻度直接观察到。桥墩处的冲刷模式和桥墩附近的冲刷见图3和图4。

图3 桥墩处的冲刷模式

图4 桥墩附近的冲刷

所获得的结果显示了冲刷深度在纵向上分别随距离X1、X2和横向上随距离Y的变化，见图5-图7，其中使用一个流量。在这组运行中，流速保持在5.82～16.88 L/s的流速范围内。从纵向X1和X2不同流速的所有运行中获得的观测结果表明，上游冲刷深度相对较高，而桥墩下游冲刷深度较小。研究发现，最大冲刷深度大约在运行1 h后达到，在接下来的1 h内，冲刷深度几乎没有增加。在桥墩中心线测量纵向X1的冲刷深度变化，而在河道边界附近测量不同时间间隔(从5、15、30、60 min开始，直至120 min)的纵向X2的冲刷深度变化。从X1系列的图表中可以明显看出，砂床的标高略高于桥墩下游河床的初始标高，之后随着时间间隔的增加而降低，其原因是桥墩上游附近的侵蚀材料沉积。横向冲刷深度随距离Y的变化在桥墩两侧几乎相同。桥墩中心线位于X1=32.5 cm处。每次读取时，通过打开和关闭流量开关来记录系列-I数据(图8)，而系列-II数据(图9)则记录为流量的延续。

图5 冲刷深度随纵向的变化(X1)

图6 冲刷深度随纵向的变化(X2)

图7 冲刷深度随横向的变化(Y)

此处描述的所有结果表明，随着纵向和横向流速的增加，最大冲刷深度增加。研究发现，横向冲刷深度随距离Y的变化趋势与桥墩两侧几乎相同，但与较小流量的结果相比，最大冲刷深度略高。

测量不同流速下圆柱桥墩周围的最大冲刷深度，并以图形展示试验结果，以预测圆柱桥墩周围的平衡冲刷深度。冲刷坑深度的变化见图8和图9。有由图8和图9观察到，随着水流深度的增加，冲刷坑深度增加，但增加速率不是线性的。很明显，最大冲刷深度取决于时间和流速。此外，随着渠道流量的增加，冲刷坑的初始深度也在增加；随着时间的增加，饱和达到平衡冲刷深度。

图8 最大冲刷深度随时间的变化(系列-I数据)

图9 最大冲刷深度随时间的变化(系列-II数据)

本研究结果表明，最大冲刷深度高度依赖于试验持续时间，冲刷坑深度随着引发冲刷的增加流量持续时间的增加而增加。在桥墩处观察到的冲刷量也随着试验持续时间的增加而增加，桥墩冲刷坑的时间发展取决于桥墩是否安装了置于河床水平的轴环。

4 结 论

局部冲刷监测对于避免可能发生的重大损害非常重要。本文对砂土中圆形桥墩三维冲刷坑几何形状随时间的变化进行了试验研究，试验结果为不同冲刷阶段(即初始阶段、发展阶段、稳定阶段和平衡阶段)的定量定义提供了信息。通过进行一系列试验并分析本研究中给出的桥墩局部冲刷结果，可以得出以下结论：冲刷深度随时间增加，但冲刷深度的增加率在较长时间间隔内下降；流速对冲刷深度有影响，流速越大，冲刷深度越大；最大冲刷深度出现在桥墩上游；最大冲刷深度取决于时间和流速，最大冲刷深度也随着流量和时间的增加而增加；沉积物的粗糙部分沉积在桥墩的下游区域；横向冲刷坑尺寸几乎相同。结果显示，冲刷可能需要较长时间才能达到渐近状态，研究所提供的数据可用于改善桥梁冲刷监测和数值模拟试验结果。