当前世界环境gydF4y2Ba

介绍gydF4y2Ba

桥梁显然是交通运输的重要组成部分。它们在洪水现象中的作用尤为重要。跨越河流的桥墩的安装改变了当地的流场，这通常伴随着泥沙的携带能力，通常会导致桥墩周围形成冲刷洞。这些冲刷洞威胁着桥梁的安全。联邦公路管理局(FWHA)发表的一项研究表明，在383座因洪水造成的桥梁损坏中，25%涉及桥墩损坏，75%涉及桥台损坏。因此，研究桥墩冲刷孔的控制与防治是桥梁设计的重要步骤。桥墩冲刷孔洞尺寸控制主要有两种对策:(1)垫层防护对策;又称直接法。(2)变流对策或间接方法。gydF4y2Ba

在前者中，河床阻力通过采用物理屏障（如抛石）而增加（Abd El-Razek，2003）。在这一类的众多研究中（Yoon等人，1995年），（Parola，1993年），（Worman，1989年），（Chiew和Lim，2000年），（Lauchlan和melville，2001年），在后一组中，下降流和马蹄涡的强度降低，这是桥墩的主要原因，（Parker等人，1989年），（Chiew和Lim，2003年），（tafarojnoruz等人，2010），根据形状和性能将流量改变对策分为四组(1） 通过桥墩的开口，如槽或内部连接管。（Abd El Razek等人，2003年），（Vital等人，1994年），（Grimladi等人，2009年），（Tanaka和Yano，1967年），（Heidarpour，2003年），（Moncada Metal，2009年）对这些配置进行了研究，研究了内部连接管的性能，并报告了最佳配置的效率高达39%(Vital等人，1994），建议使用桥墩群代替大型桥墩，以减少水流扰动和局部冲刷。这类对策是插槽。槽通过其开口分流下流，并减小冲刷坑尺寸(Tanaka和Yano（1967年）报告说，部分嵌入床中的槽具有更高的效率(Heidarpour等人，2003），研究了位于直列桥墩组上的槽的性能，得出结论，其效率随着桥墩间距和攻角的减小而增加。gydF4y2Ba

• 码头附件，包括穿线(Dey等人，2006年)，领和水平板(Parker等人，1998年)，(Kim等人，2005年)，(Dargahi等人，1987年)，(Sani khani等人，2008年)，(Moncada-m, 2009年)，(Zarrati等人，2004年)，(Zarrati等人，2006年)，(Ghorbani和Kells, 2008年)。这种对策的另一种形式包括不同形状的板或叶片。(Ghorbani and Kells, 2008)的报告指出，连接在码头上的叶片可以有效地分流码头附近的水流，减少诱发的冲刷。(Maza, 1967)，对墩附板进行了最早的研究。他使用垂直安装的矩形板，并且以相对于流动方向的攻角安装。他建议板以3:1的坡度固定，以获得最佳性能。(Gupta, 1992)，研究了沿对称轴附着在桥墩上的三角翼板的性能。(Diado and Yano, 1995)在圆板的上游面上安装斜板，同时在桥头上安装导向墙。他们报告说，对于他们建议的设置，最高效率为90%。gydF4y2Ba
• 床附着转向，以削弱接近辉光模式。这些设备包括祭祀桩(Melville and Had field, 1999)， (Chiew and Lim, 2003)，叶片和槛(Odgaard and Wang, 1987)，表面导向板和套筒和领(Huang et al, 2005)， (Grag et al, 2008)， (Singh et al, 2001)。最早的祭祀桩研究是由(Chabert and Engeldinger, 1956)进行的。他们在桥墩上游把桩布置成三角形。他们报告说，最佳配置的最大冲刷深度减少了50%。淹没式桥墩的应用又回到了广泛的研究(Odgaard and Wang, 1991)。结果表明，水流通过叶片所产生的水流循环改变了河床应力的流动模式和方向，并减小了冲刷的大小。gydF4y2Ba
• 其他装置，如在码头下部墙上开孔的器具，通过码头的吸水泵抽取水(Rooney and Machemehl, 1977)。大量的研究也报道的成功结合冲刷对策在减少桥墩冲刷洞大小,如衣领的同步和rip说唱(Zarrati等,2006),(Mashahir等,2010),槽,仍然(格里马尔迪等,2009),衣领和水下叶片(Odgaards和王出版社,1987年)。gydF4y2Ba
• 上述措施各有利弊。综上所述，床上装甲对策在广泛的野外应用中存在一定的局限性。目前所报道的改流对策的效果差异过于分散，考虑到泥石流和活床等各种水流条件的影响，还需要进一步研究。gydF4y2Ba

在本文中，这些矩形板与圆柱墩的上游面共线连接。其中两块板分别安装在桥墩两侧相距一管径的距离处，另一块位于桥墩横截面中心线轴线上。如图2所示，三种不同长度的板嵌在约8cm的床上，面对约4cm的基板上方的水流。gydF4y2Ba

(a) 8厘米长的侧壁板(b) 14厘米长的侧壁板gydF4y2Ba

图1:PlateÌ›配置(a, b)gydF4y2Ba 点击这里查看图gydF4y2Ba

图2:PlateÌ嵌入床内gydF4y2Ba 点击这里查看图gydF4y2Ba

引入上述结构作为一种新的抗冲刷措施的主要动机是采用一种新的结构来保护码头，它同时作为床装甲和改变流动的对策。因此，在主要实验之前，一个数值程序被开发来研究周围的流动模式与保护板布置如图1所示的墩。数值区域由三维网格组成，网格内采用标准k-Ɛ湍流模型模拟码头周围的流态。数值模拟表明，平板的应用显著降低了马蹄涡的强度和下降流。同时，由于安装侧墙板所产生的阻力，使得桥墩附近的加速水流无法形成强大的冲刷机制。gydF4y2Ba

图3:墩周流型:(a)单墩;(b)保护墩gydF4y2Ba 点击这里查看图gydF4y2Ba

材料和方法gydF4y2Ba

影响所考虑问题的有效参数如式(1)所示:gydF4y2Ba

FgydF4y2Ba（gydF4y2BadgydF4y2Ba_pgydF4y2Bay, g, u, lgydF4y2Ba_pgydF4y2BaDgydF4y2Ba_{50岁,gydF4y2Ba}我gydF4y2Ba_ggydF4y2Ba,年代gydF4y2Ba_0gydF4y2BadgydF4y2Ba_{年代gydF4y2Ba}) = 0 (1)gydF4y2Ba

F是一个泛函，dgydF4y2Ba_pgydF4y2Ba和dgydF4y2Ba_{年代gydF4y2Ba}分别是管的公称直径和冲刷深度，y是河床以上的水流深度，lgydF4y2Ba_pgydF4y2Ba为侧壁板的长度。U和g分别为速度和重力加速度，sgydF4y2Ba_0gydF4y2Ba是水槽的坡度。最后,维gydF4y2Ba_50gydF4y2Ba分别是沉积物粒径的重量50%的床颗粒细,我吗gydF4y2Ba_ggydF4y2Ba为泥沙颗粒的几何标准差。所有的实验都是在一种土壤中进行的。床坡在实验中也是恒定的。然后略去这些符号gydF4y2Ba_0gydF4y2BaDgydF4y2Ba_50gydF4y2Ba, ÏgydF4y2Ba_ggydF4y2Ba从有效参数列表和执行白金汉-π维度分析，可以得到以下无因次参数:gydF4y2Ba

dgydF4y2Ba_{年代gydF4y2Ba}/ y= F (FgydF4y2Ba_rgydF4y2BadgydF4y2Ba_pgydF4y2Ba/y、 lgydF4y2Ba_pgydF4y2Ba/ y) (2)gydF4y2Ba

用fgydF4y2Ba_rgydF4y2Ba= u / (gy)gydF4y2Ba^0.5gydF4y2Ba弗劳德数。gydF4y2Ba

实验以8米长，0.72米宽，深，深层有机玻璃侧的水槽进行。型号码头由铁，标称直径为0.07米，长度为0.4米。根据（CHIEW和MELVILLE，1987），最大码头直径必须限制在通道宽度的10％上，以便水槽侧壁对冲刷深度的影响变得可忽略不计。码头位于水槽入口下游3米，以提供完全发育的流动条件。沉积物凹槽的厚度为0.25米。沉积物颗粒具有平均直径D.gydF4y2Ba_50gydF4y2Ba= 0.72毫米和几何标准差的我gydF4y2Ba_ggydF4y2Ba=1.2，满足泥沙级配均匀的条件。同样根据（Raudkivi和Ettema，1983）关于非波纹沉积物（dgydF4y2Ba_50gydF4y2Ba≥0.7毫米)和dgydF4y2Ba_pgydF4y2Ba/ dgydF4y2Ba_50gydF4y2Ba(dgydF4y2Ba_pgydF4y2Ba:桥墩直径和dgydF4y2Ba_50gydF4y2Ba:床层直径)大于50 (dgydF4y2Ba_pgydF4y2Ba/ dgydF4y2Ba_50gydF4y2Ba=97)泥沙粒径对冲刷孔的影响可以忽略不计。在美国，清水流动条件仍然存在gydF4y2Ba_＊gydF4y2Ba= 0.95 ugydF4y2Ba_{＊gydF4y2BacgydF4y2Ba}，你在哪里gydF4y2Ba_＊gydF4y2Ba是切变速度和u吗gydF4y2Ba_{＊gydF4y2BacgydF4y2Ba}是从屏蔽图获得的临界剪切速度。gydF4y2Ba

在开始主要试验之前，必须找出沉积物运动的阈值。一些研究者(Day, 2001)和(Day and Kumar, 2002)研究了泥沙颗粒的初始运动，并提出了不同的经验公式来解释河床物质的运动。本文通过对桥墩安装前水槽内颗粒运动的观测，确定了河床物质运动的阈值。在实验过程中，实现了较细的床层颗粒移动和床层高度降低约2 ~ 3mm的条件。试验是在当前工作范围内，当水流深度为0.18m，入流流量为0.092 mgydF4y2Ba^3.gydF4y2Ba/s、 这张床刚动起来。然后，在所有不同的实验运行期间，从流动深度和能量计算的剪切速度与从shields图获得的临界剪切速度之比约为0.9。gydF4y2Ba

图4：实验装置示意图（平面图）gydF4y2Ba 点击这里查看图gydF4y2Ba

表1显示了在不同实验运行中实现的初始条件。流入流量由连接至入口管壁的涡轮流量计测量。当前工作中应用的流量范围的计算误差（40 l/sgydF4y2Ba

表1:实验总结gydF4y2Ba

在所有的实验中，金属板的嵌入量都超过了它们的一半。然后，在每次试验开始时，底板在垫层下的深度为8cm。以往关于桥墩周围冲刷的试验证明，冲刷现象过于耗时。在当前工作范围内，桥墩周围达到平衡状态的时间约为12-15小时。完成每个试验后，通过石灰计测量冲刷几何结构。它是一个安装在移动托架上的精度为±0.01 mm的点规。点规的纵向和横向运动由连接至车架的两个刻度尺读取。标尺提供读数纵向和横向刻度，精度为±0.1cm。gydF4y2Ba

主要试验分三个阶段进行，第一阶段试验得到了在没有任何对策的情况下桥墩周围的冲刷几何形状。180分钟后，停止水泵，利用水槽底部设置的排水阀，将水逐渐从水槽中抽出，然后用极限仪测量冲刷剖面。在实验的第二阶段，平行于流动方向安装两个长8cm的平板，沿中心线轴线使用长12cm的平板。最后在实验的第三阶段，将侧壁板替换为长14cm的，重复第二阶段的相同步骤。gydF4y2Ba

结果gydF4y2Ba

从图5 (a, b)中可以看出，由于桥墩上游面冲刷明显减少，特别是在桥墩的两侧和后部出现了沉降现象。在各种各样的研究中，沉降没有发生在墩周围，但在本研究中，墩后的线形水平甚至比实验的第一水平更高。gydF4y2Ba

随着入流流量或水流深度的增加，冲刷孔变深，最大冲刷深度出现在桥头附近。通过对比图5和图6的冲刷图，我们发现，这些板块明显改变了码头背风侧的水流形态，而不是在单码头观察到的冲刷。(X:桥墩轴向距离，ds:冲刷深度，dp:桥墩直径)gydF4y2Ba

图5保护墩冲刷孔洞图(A1:最大沉降量，A2:最大冲刷孔洞)gydF4y2Ba 点击这里查看图gydF4y2Ba

图6：单个桥墩处的冲刷坑图（A2：最大冲刷坑）gydF4y2Ba 点击这里查看图gydF4y2Ba

侧板长度从8厘米增加到14厘米，桥墩前部的冲刷尺寸减小。gydF4y2Ba

表2:桥墩前冲刷深度ds与桥墩直径dp的比值gydF4y2Ba

在墩墙上游面安装板对冲刷过程有两个重要影响:gydF4y2Ba

• 数值模拟显示的流型发生变化，靠近桥墩底部的流速分为两个分支。因此产生了较弱的向下流动，从而产生了较弱的马蹄形涡。同时，板的横向长度和板的平面形状也能有效地减小墩侧墙的圆形所产生的负压。伴随这一效应的是较弱的尾迹和下游位置区域面积的减少。gydF4y2Ba
• 板块限制沉淀物，起到侧桶的作用。它们增加了粒子在初期运动时的稳定性，并且表现得像床上装甲材料。gydF4y2Ba

在图7中，用数字对不同的冲刷和沉积带进行了分类。在板块尖端的2区和3区，观察到局部冲刷。泥沙颗粒从这些区域转移到下游区域，即4区和1区。观察冲刷的中段的事实表明,在粒子附近的盘子鼻子产生与一个陡坡带沉积山4所持续温和斜率的山顶上向上游面码头(图9),发现粒子倒入带4由于沉积。由桥墩上游的马蹄涡所产生的逐渐充填冲刷作用。在5区和6区观察到沉积过程。(figure8)gydF4y2Ba

图7附近冲刷沉积区分类gydF4y2Ba 目前的配置gydF4y2Ba 点击这里查看图gydF4y2Ba

图8:桥墩前后的沉积物堆积gydF4y2Ba 点击这里查看图gydF4y2Ba

图9：中板表面的纵向冲刷和沉积gydF4y2Ba 点击这里查看图gydF4y2Ba

图10显示了最大冲刷深度(ds/y)随弗劳德数的变化。随着弗劳德数的增加，最大冲刷深度也随之增加。此外，上述措施的安装显著降低了最大冲刷深度。结果表明，较长侧墙板的第二种结构具有较好的抗冲刷效果。gydF4y2Ba

图10：带有FRoude号码的归一化最大冲刷深度（DS / Y）的变化gydF4y2Ba 点击这里查看图gydF4y2Ba

讨论gydF4y2Ba

本文对安装在桥墩上游面与水流平行的三层矩形保护板的性能进行了广泛的数值和试验研究。结果表明，该钢板同时起着床层装甲和变流对策的作用。定性结果表明上述配置成功的溢流水流产生的结果的静态压力流量增加的上游面码头和李尾涡形成由于流动分离的侧墙码头。定量结果表明，当侧板和中板长度分别为(1.14 dp)和(1.714 dp)时，最大冲刷深度显著减小。数据显示，长8cm的侧墙板最大冲刷深度降低了76%，长14cm的侧墙板最大冲刷深度降低了85%。gydF4y2Ba

参考gydF4y2Ba

1. Abd EL-Razek, m.a. e.m。M. M.(2003)，“利用桥墩内部开口减少桥墩周围的冲刷”，Thessaloniki, C2，第30期IAHR大会，第285-292页。gydF4y2Ba
2. (1993)“桥墩上抛石的稳定性”，水利学报。Engng。，第119卷，1080-1093页。gydF4y2Ba
3. 卫生、Y.M Lim林亭汝(2003)“用牺牲基梁保护桥墩”，中国土木工程学报gydF4y2Ba
4. 陈志强，陈志强，陈志强(2010)，“桥墩抗冲刷的变流对策”，水利学报，48(4)，pp. 202-209。gydF4y2Ba
5. 吴志刚(1994)“桥梁桥墩周围的清水冲刷”，水利工程学报。， 120(11)， 1309-1318页。gydF4y2Ba
6. 田中，s.y.(1967)“圆筒周围的局部冲刷”，Fort Collins, co .， 3，第12卷gydF4y2Ba^thgydF4y2BaIAHR大会，第125-134页。gydF4y2Ba
7. Heidarpour, M.(2003)“利用槽控制和减少桥墩群的局部冲刷”，Thessaloniki，第30期gydF4y2Ba^thgydF4y2BaIAHR大会，第301-307页。gydF4y2Ba
8. Moncada-M。， A. P.(2009)，“带环槽的圆形桥墩的冲刷防护”，水利学报，47(1)，119-126。gydF4y2Ba
9. 陈志强(2006)“波浪和水流作用下竖向圆桩的冲刷控制”，水利学报。， 132(3)， pp. 270-279。gydF4y2Ba
10. 帕克，G。托罗·斯科巴，C(1998年，“保护桥墩免受冲刷的对策”，华盛顿特区：最终报告NCHRP项目24-7。交通研究委员会。gydF4y2Ba
11. 金，U. Kim, J. Hahm, C.(2005)“在桥墩前使用附加设施的冲刷对策”，薛。31gydF4y2Ba^thgydF4y2BaIAHR大会，第5823-5829页。gydF4y2Ba
12. Dargahi, B.(1987)“圆柱体周围的流场和局部冲刷”，皇家理工学院，斯德哥尔摩，第137卷。gydF4y2Ba
13. 扎拉蒂，A(2004年，“应用项圈控制矩形桥墩周围的冲刷”，J。《水力研究》，第42（1）页，第97-103页gydF4y2Ba
14. “桥梁桥墩群的抗冲刷性能研究”，水利工程学报，2006。， 132(2)， pp. 154-162。gydF4y2Ba
15. 高志强(2008)，“沉水叶片对圆柱形码头冲刷的影响”，水利学报，46(5)pp. 310 - 310。gydF4y2Ba
16. (1992)“用一种类似三角翼的被动装置减少局部冲刷”，浦那，第8期gydF4y2Ba^thgydF4y2BaAPD-IAHR大会，第B471-B481页。gydF4y2Ba
17. 梅尔维尔，B(1999年，“使用牺牲桩作为桥墩对策”，J。《液压工程》，125（1），第121-1224页。gydF4y2Ba
18. (1987)“桥梁桥墩的抗冲刷”，中华人民共和国土木工程学会。《威廉堡水利工程》。gydF4y2Ba
19. 马志安(2010)“用抛石和护箍防止矩形桥墩周围冲刷”，水利工程学报。(6)，第2 - 3页。gydF4y2Ba
20. 周永明(1987)“桥墩附近的局部冲刷”，水利学报，25(1)，pp. 15-26。gydF4y2Ba
21. 刘志强(1983)“清水冲刷圆柱墩”，水利工程学报。， 109(3)， pp. 338-350。gydF4y2Ba
22. 陈志强(2002)，“沙床上壳层运动的起始与实验研究”，《泥沙研究》，17(4)，pp. 270-279。gydF4y2Ba