多个环翼式桥墩冲刷影响研究

任致贤,牟献友,柏　涛,洪龙生,吴金峰

(内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院,内蒙古呼和浩特010018)



多个环翼式桥墩冲刷影响研究

任致贤,牟献友,柏涛,洪龙生,吴金峰

(内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院,内蒙古呼和浩特010018)

摘要：为研究多个环翼式桥墩间的局部冲刷影响,利用正交试验设计,考虑2个试验指标(墩前近底垂向流速、最大冲坑深度),选择3个有关因素(防冲板半径A、防冲板安装高度H和桥墩横向间距S)进行条件试验,对试验结果进行极差和方差分析,确定3个因素的主次关系。结果表明,主次关系的排列为防冲板的安装高度、防冲板半径、桥墩横向间距,且防冲板的安装高度和防冲板的半径对防冲效果的影响远远大于桥墩横向间距。

关键词：多个环翼式桥墩；正交试验；影响因素；主次关系

0引言

桥梁发生水毁的主要原因之一是桥墩冲刷[1]。河道中桥墩的冲刷分为自然演变冲刷、一般冲刷和局部冲刷[2]。桥墩局部如果发生严重的冲刷,桥墩周围会产生很大的冲刷坑从而严重威胁桥梁安全[3- 4]。河道中的行进水流碰到桥墩后,桥墩周围水流特性发生强烈变化,形成下潜水流和马蹄形漩涡,逐渐传播和发展到下游,水流在剧烈紊动的同时形成河床面切应力,导致局部冲刷坑的形成[5]。桥墩的防冲刷措施有很多种,一般方法是被动阻止局部冲刷,但安装有环翼式防冲板的桥墩可以主动且有效地阻挡下潜水流,将下潜水流向桥墩两边分流,从而减小了桥墩下部的冲刷[6]。张万峰等[7]经过初步研究发现,防冲板可有效减少桥墩局部冲刷；白佳乐等[8]研究了环翼式防冲板安装位置对桥墩局部冲刷的影响。以上研究都是以单个桥墩为研究对象进行局部冲刷研究。

本文在物理模型试验的基础上,设计了正交试验方案,研究不同流量和水深下,以墩前近底垂向流速和最大冲坑深度为2个试验指标,探究防冲板半径A、防冲板安装高度H和桥墩横向间距S这3个控制因素的主次关系,从而得出较为合理的桥墩及防冲板布置形式。

1模型试验设计

1.1试验设备及仪器

试验仪器和装置主要包括独立供水循环系统、Vectrino+声学多普勒点式三维测速系统、流量计和桥墩等。试验水槽为矩形断面有机玻璃水槽,水槽长2 000cm、宽50cm、高90cm,底部坡降比为1/800。水槽上游进水口末端设有消能装置,以确保水流平稳均匀地进入试验段。水槽下游段设有尾门,以控制水槽内水深。水槽中部为500cm试验段,桥墩模型布置于试验段中间。试验段铺设厚200mm、平均粒径为0.55mm的泥沙。桥墩和环翼式防冲板模型均由PVC材料制作,桥墩为半径r=20mm的圆管,防冲板为半径为R的半圆环。在试验段横向布置2个相同的桥墩。试验模型见图1。

每次试验前先把试验段床沙表面抹平,并在来水流量较小的情况下放水浸泡床沙,试验开始时逐步增大流量,使流量和水深满足设计工况,直至冲刷坑形态稳定且不发生变化。每次冲刷时间不小于2h，并使用Vectrino+测速系统量测并记录水流中所需测点的三维流速。

图1　试验模型

1.2控制因素及试验指标

本次冲刷试验采用3种流量和相应的水深,设定的流量分别为Q1=80m3/h、Q2=100m3/h、Q3=120m3/h,对应的水深分别为h1=110mm、h2=130mm、h3=150mm。选用防冲板半径A和安装位置H、2个桥墩横向间距S这3个控制因素对防冲效果的影响。控制因素及相应水平见表1。

表1控制因素及相应水平

水平控制因素防冲板半径A安装高度H桥墩横向间距S11.6r0.2h6r22.0r0.3h10r32.2r0.4h14r

注：表中r为桥墩半径；h为水深。

本次试验中,选用2个试验指标(墩前近底垂向流速、最大冲坑深度)分析3个因素(A、H、S)的影响。墩前近底垂向流速的变化可以反映防冲板对墩前下潜水流的影响,墩前近底垂向流速越小,下潜水流的减弱作用越大,从而起到更好的防冲作用。最大冲坑深度为冲刷过程中冲坑内的泥沙补给率和输出率达到动态平衡时,冲刷坑深度的最大值。

2控制因素及试验指标分析

2.1正交试验方案

本试验在每种流量与对应水深的条件下,均使用L9(34)正交表进行试验设计。每种工况条件下进行3次试验,测定墩前近底垂向流速和最大冲坑深度,将3次测定的数据的平均值记为试验结果。正交试验方案见表2。本文以Q3=120m3/h、h3=150mm为例分析3个因素的主次关系。

表2正交试验方案

工况因素水平1(A)2(H)3(S)墩前近底垂向流速/cm·s-1最大冲坑深度/cm11116.34.021227.95.931338.57.242317.65.752125.43.162236.84.773216.14.183327.54.993135.33.3

2.2控制因素极差分析

极差分析法[9]是通过对每个因素的平均极差来分析问题,极差即为平均效果中最大值和最小值的差。各列极差的数值从小到大的排列,就是各列对试验指标的影响从小到大的排列。极差的数值越大,该因素就越重要。由此便可找到影响指标的主要因素,并找到最佳因素水平组合。极差可表示为

式中,R为极差；Kki同一因素下的最大冲坑深度；Kkj同一因素下的墩前近底垂向流速；K为各因素的3个水平。

极差分析结果见表3。3个有关因素(A、H、S)对2个试验指标(墩前近底垂向流速、最大冲坑深度)的影响程度和规律见图2。从表3和图2可知：

(1)防冲板半径A越大,墩前近底垂向流速和最大冲坑深度越小。防冲板半径A=2.2r时,防冲板的防冲刷作用最佳；A=2.0r和A=2.2r时,防护效果相差无几。防冲板安装高度H越低,墩前近底垂向流速和最大冲坑深度越小。H=0.2h时,防冲板的防冲刷作用最佳。桥墩横向间距S越小,防冲刷作用越佳。S=6r时,墩前近底垂向流速和最大冲坑深度越小。

(2)墩前近底垂向流速做指标时,各因素波动程度的大小依次为H>A>S,且H因素的波动程度最大,是主要影响因素,其次为A和S,这与表3中极差RH>RA>RS相同；最大冲坑深度做指标时,H因素波动程度最大且略大于A,H是主要影响因素,其次为A和S,与表3中极差RH>RA>RS相同。综合考虑2个试验指标,3个因素的重要性从大到小的排列为：防冲板安装高度H>防冲板半径A>桥墩横向间距S。

图2　2个试验指标和3个影响因素的关系

(3)表3中RH和RA远大于RS,说明H因素和A因素的重要性比S因素更为显著,即防冲板的安装高度和防冲板半径对防冲效果的影响作用远远大于桥墩横向间距。

表3极差分析

指标项目因素水平1(A)2(H)3(S)墩前近底垂向流速Ki17.65.76.7Ki26.66.96.9Ki36.37.96.9R1.32.20.2最大冲坑深度Kj15.73.54.6Kj24.54.94.4Kj34.15.95.1R1.62.40.7

2.3控制因素方差分析

根据表2中的试验结果，对2个试验指标做方差分析,分析结果见表4。3个因素对应的显著性效果见图3。由表4和图3可知：

表4方差分析

指标墩前近底垂向流速AHS最大冲坑深度AHS平方和2.737.290.091.361.220.29自由度222222均方和1.3653.6450.0450.6800.6100.145方差F41.4110.51.432.429.06.9

图3　3个影响因素的显著性趋势

(1)以墩前近底垂向流速为指标,F0.05(2,2)=19

(2)以最大冲坑深度为指标,F0.05(2,2)=19

综上可知,3个因素的影响程度从大到小的排列为：防冲板安装高度H>防冲板半径A>桥墩横向间距S,与极差分析结果基本相同。

4结语

以墩前近底垂向流速和最大冲坑深度为试验指标,设计了正交试验,并对试验结果进行极差和方差分析,得出较为一致的结论,即3个有关因素(防冲板半径A、防冲板安装高度H和桥墩横向间距S)的主次关系为H>A>S。在横向布置多个环翼式桥墩时,不但要考虑环翼式防冲板的安装高度和半径对防冲效果的影响,还要考虑桥墩横向间距对防冲效果的影响。防冲板的安装高度和防冲板半径对防冲效果的影响远远大于桥墩横向间距。

因试验条件的局限性,本次试验并没有考虑防冲板对桥墩整体结构稳定性的影响,今后可通过数值模拟进一步探究。

参考文献：

[1]刘红光, 骆英, 赵国旗, 等. 基于HHT的混凝土损伤AE信号分析新方法[J]. 防灾减灾工程学报, 2007, 27(2)： 187- 191.

[2]李奇, 王义刚, 谢瑞才. 桥墩局部冲刷公式研究进展[J]. 水利水电科技进展, 2009, 29(2)： 85- 88.

[3]HUNTEB.Monitoringscourcriticalbridges[M].Washington:TransportationResearchBoard, 2009.

[4]DENGL,CAICS.Applicationsoffiberopticsensorsincivilengineering[J].StructuralEngineering&Mechanics, 2007, 25(5): 577- 596.

[5]BREUSERSHNC,RAUDKIVIAJ.Scouring[M].Netherlands:BalkemaAAPublishers, 1991.

[6]刘晓民, 陈艳梅, 牟献友, 等. 环翼式桥墩周围水力特性试验研究[J]. 人民黄河, 2014, 36(5)： 102- 104, 107.

[7]张万锋, 文恒, 牟献友, 等. 环翼式桥(闸)墩防冲刷试验研究[J]. 内蒙古农业大学学报： 自然科学版, 2011, 32(3)： 226- 229.

[8]白佳乐. 环翼式桥墩局部冲刷防护数值模拟研究[D]. 呼和浩特： 内蒙古农业大学, 2013.

[9]高惠璇. 应用多元统计分析[M]. 北京： 北京大学出版社, 2014.

(责任编辑杨健)

收稿日期：2015- 12- 23

基金项目：国家自然科学基金项目(51369022),内蒙古自治区自然科学基金项目(2013MS0719)

作者简介：任致贤(1990—),男,内蒙古巴彦淖尔人,硕士研究生,研究方向为水工建筑物模型试验；牟献友(通讯作者)．

中图分类号：U446.1

文献标识码：A

文章编号：0559- 9342(2016)04- 0105- 04

ResearchesofScouringEffectbetweenMultipleRing-wingPiers

RENZhixian,MOUXianyou,BAITao,HONGLongsheng,WUJinfeng

(CollegeofWaterConservancyandCivilEngineering,InnerMongoliaAgriculturalUniversity,Hohhot010018,InnerMongolia,China)

Abstract:In order to study the local scour around ring-wing piers, the orthogonal experiment is designed by considering with two test indicators (the vertical flow velocity near the end of pier and the maximum scour depth) and selecting three relevant factors (radius of baffle plate-A, mounting height of baffle plate-H and lateral spacing of piers-S). By range analysis and variance analysis of test results, the primary and secondary influencing factors are determined respectively. The results show that the importance order of three factors on local scour is mounting height of baffle plate, radius of baffle plate and lateral spacing of piers, and the influences of mounting height and radius of baffle plate on scour effect are far greater than the lateral spacing of piers．

Key Words:multiple ring wing pier; orthogonal experiment; influencing factor; primary and secondary relationship