桥墩扰流对通航净宽尺度影响的试验研究
摘要:建桥后由于桥墩扰流,改变了原有的水流条件与河床冲淤条件,从而影响到原有的通航条件。在总结国内主要研究成果的基础上,结合水槽定、动床试验成果,对桥墩扰流宽度影响因素进行深入分析,并用量纲分析法得出其计算公式。
建桥后,由于桥墩等的存在使得原有的水流条件发生改变,河床的冲淤也相应发生改变,从而使原有的通航条件发生改变,形成航道部门习称的桥区航道。现有的桥梁很难作到水下不设桥墩一跨过江,特别是在大江大河上建桥,所以建桥后均存在桥墩等影响原有的航道,故在桥梁前期工作中都需要对建桥进行专门的通航论证,其中包括对通航净宽的论证,目前对这一部分的研究甚少,一般的处理方法是将其含在富裕宽度内。
例如现有计算航道宽度所采用的公式用于计算桥墩之间的通航净宽时,桥墩扰流宽度就包含在富裕宽度C2之中[1]:
B=2bcosα+2Lsinβ+C1+2C2
式中:B为航道宽度;b为船队宽度;L为船队长度(拖带船队为最大单船长度);!为漂角;C1为船队间的富裕宽度;C2为船队与航道边缘的富裕宽度。
在现有的研究成果中,桥梁通航跨度也都是采用这种方法进行处理,但桥墩扰流宽度具体为多少,目前没有具体的计算公式,从而影响到桥梁跨度的精确设计。富裕宽度给大了既增加桥梁结构设计的难度,又增加工程的投资;富裕宽度给小了,会影响到桥梁的通航。由此可见,对桥墩扰流宽度的研究是十分必要的。本文在总结国内主要研究成果的基础上,结合水槽定、动床试验成果研究桥墩附近形成的扰流宽度适用的指标和计算方法。
1 试验原理
根据A.J.Raudkivi 1986年所绘制的桥墩附近水流结构图[2](图1)可知,桥墩附近的水流局部变形具有很明显的三维特点。平面水流经绕桥墩形成一般的形体绕流,在水流流向桥墩时,水流动能逐渐转化为势能,在桥墩上游形成驻点,水位有所壅高,向桥上游影响逐渐减弱。在桥墩两侧绕流流线加密,流速加大,在桥墩两侧一定部位形成分离流与桥墩尾部紊流。桥墩周围的水流结构主要包括墩前水面涌波、桥墩迎水面向下水流尺度很大的紊流区,民间习称为哮水或翻花水。
紊流区是一个复杂的综合水流结构,包括在桥墩迎水面向下水流和两侧绕流在床面附近形成的马蹄形漩涡和桥墩两侧边界层分离形成的尾流漩涡以及在墩两侧和墩后由床面附近释放的小漩涡。
据此,可绘出桥墩扰流区平面示意图(图2)。本试验所研究的是指桥墩之间影响通航的漩涡体系所在区域的宽度,即习称哮水或翻花水所在区域的宽度。
2 试验方法
桥墩墩周的表面水流采用白色膨胀性珍珠岩粉示踪,底部水流采用紫红色高锰酸钾粉示踪,通过珍珠岩粉和高锰酸钾粉的运动情况来显示水流运动情况,并测量出桥墩两侧漩涡体系所在区域的最大宽度,即为桥墩扰流宽度。
3 水槽定床试验研究
3.1试验目的
研究桥墩墩周的水流运动情况,确定桥墩两侧扰流影响范围并量测其宽度。
3.2 模型设计
试验流速选取0.5 m/s,1.0 m/s,1.5 m/s,2.0 m/s,2.5 m/s,3.0 m/s和3.5 m/s,桥墩与水流夹角选取0°,3°,6°,9°,12°,15°,20°和25°,试验水深保持在20 cm。
3.3 试验成果
经验证,模型满足相似条件。通过7组(对应7组流量级试验)试验,完成了试验内容,试验成果见表1。
4.3 试验成果
试验中发现,桥墩冲刷发生在试验开始的半小时以内,其后墩周冲淤渐趋平衡,桥墩扰流宽度改变很小。对比定、动床试验成果可知,桥墩冲刷对桥墩扰流宽度影响较小且动床下的桥墩扰流宽度小于定床下的桥墩扰流宽度。例如,圆头墩定、动床下扰流宽度见表3。
5 试验成果分析
综合以上定、动床试验成果可知,桥墩冲刷对桥墩扰流宽度影响很小,且桥墩冲刷主要发生在桥梁建设初期,其后冲淤渐趋平衡,桥墩扰流宽度改变也越来越小。实际桥梁建设在施工阶段,桥墩墩周冲刷坑即已形成。此外,目前在桥梁施工时要采取桥墩局部防冲刷保护措施,限制桥墩局部冲刷的发展。据此,确定以定床试验成果作为桥墩扰流宽度的最终结果,该宽度在一定程度上更趋于安全。
5.1 桥墩扰流宽度影响因素分析
5.1.1行近流速的影响
根据水槽定、动床试验成果分析可得不同墩型的桥墩在不同水流流速下桥墩两侧扰流宽度,见表1。从表1可以看出,对同一种墩型,在其它条件相同的条件下,随着水流流速的增大,桥墩扰流宽度增大。
为了更清楚地反映上述规律,根据表1计算出不同墩型在不同水流流速下两侧扰流宽度的均值,见表4。
图4为根据上表绘制的桥墩扰流宽度与流速的关系,从图4可以看出,在其它条件相同的情况下,流速越大,桥墩扰流宽度越大,反之亦然。根据以上分析,在已知流速的情况下,桥墩扰流宽度可按表5,表6取值。
从表8可以看出,在其它条件相同的情况下,桥墩扰流宽度随着桥墩尺寸的增加而增加,反之亦然。
5.1.5 桥墩墩型的影响
从定、动床试验成果分析可以得出,桥墩墩型曲线越圆滑,其阻水作用越弱,桥墩扰流宽度越小,反之亦然。所研究的5种墩型中,方头墩阻水作用最强,桥墩扰流宽度最大;尖头墩阻水作用最弱,桥墩扰流宽度最小。通过引入墩型系数来分析计算桥墩墩型对桥墩扰流宽度的影响。
5.1.6 桥墩冲刷的影响
试验中发现,桥墩冲刷发生在试验开始的半小时以内,其后墩周冲淤渐趋平衡,桥墩扰流宽度改变很小。从动床试验成果可以分析得出,桥墩冲刷对桥墩扰流宽度影响较小。
6 结语
目前对桥墩扰流宽度研究甚少,一般处理方法是用富裕宽度来表示。由于没有具体的计算公式,从而影响到桥梁跨度的精确设计。富裕宽度给大了既增加桥梁结构设计的难度,又增加工程的投资;富裕宽度给小了,会影响到桥梁的通航。
由此可见,对桥墩扰流宽度的研究是十分必要的。
根据水槽试验及目前桥梁建设的实际情况,确定以定床模型试验成果作为桥墩扰流宽度的最终结果,研究表明该取值方法在一定程度上更合理。
桥墩扰流有强有弱,对船舶通航影响与船舶大小、性能以及驾驶人员操作水平等因素均有关系,为安全起见,建议桥墩扰流宽度按本水槽试验成果取值,桥梁通航孔跨度为航道宽度加上桥墩扰流宽度。
流速在0.5～3.5 m/s之间变化时,桥墩两侧扰流总宽度一般在5～30 m之间变化,建议桥墩扰流宽度按表6或表7取值。
桥墩扰流宽度计算公式为式(3),该公式可用于桥墩扰流宽度的计算和理论分析。
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