拦沙坝对上游桥梁冲刷防护的效果测试及分析

徐兆凯，谢 锋，李东风(.河海大学 文天学院，安徽 马鞍山 4305；.浙江水利水电学院 水利与环境工程学院，浙江 杭州 3008)

拦沙坝对上游桥梁冲刷防护的效果测试及分析

徐兆凯1，谢 锋2，李东风2
(1.河海大学 文天学院，安徽 马鞍山 243051；2.浙江水利水电学院 水利与环境工程学院，浙江 杭州 310018)

通过在桥梁下游设置拦沙坝可减缓上游桥梁冲刷.以典型工程为原型制作物理模型，选取进口流量Q、拦沙坝坝顶高程Z及拦沙坝距桥墩轴线距离L作为研究参数，开展了34组试验，结果显示各方案下，桥墩至拦沙坝间的一般冲刷比原河床低0.3 ～0.5 m，桥墩局部冲刷一般不超过5 m，桥墩冲刷坑下游约长25～35 m，为使拦沙坝不受桥墩冲刷坑影响，拦沙坝位置应选择在距桥墩中心线下游45 m左右，坝顶高程比坝址处河床高1.0～1.5 m.

桥梁冲刷;拦沙坝;物理模型;VDMS

在河流上修建桥梁，会干扰水流运动、破坏河床原始的状态.桥梁冲刷包括河槽的自然演变冲刷、桥下河床的一般冲刷和桥墩的局部冲刷三个部分[1].对自然环境和桥梁设计、桥梁安全影响最大的是桥墩局部冲刷[2]，它是桥梁的墩台阻挡水流，使得水流产生冲击和涡流，改变墩台周围的局部地形.桥墩周围的水流结构十分复杂，对于桥墩局部冲刷的研究，许多学者将模型试验、现场调查观测、量纲分析及多变量相关分析等方法与理论研究相互结合、相互补充，从不同途径研究桥墩局部冲刷[3-6].

近年来，城市基础建设规模的不断扩大，使得沙石等原材料的需求不断增加，河道内的沙石挖取超过了河道的承受能力.河床形态的严重改变，造成河道内水流流态的异常，加剧了桥梁附近的局部冲刷，减小了墩台基础的埋置深度，削弱了墩台的稳定性，威胁到桥梁的安全，为此采取了各种防护措施.其中，在桥梁下游的适当位置修建拦沙坝，就是一种合适的工程措施[7].由于拦沙坝与桥墩局部冲刷之间的相互影响尚未清楚，为了丰富桥墩冲刷理论和指导桥梁墩台防护工程设计，本文以典型工程为例，采用物理模型试验研究拦沙坝对上游桥梁冲刷的影响.

1 典型工程情况

选取西安浐河大桥为研究对象，桥梁为5孔桥，单孔净宽25 m，桥梁跨度约140 m，桥墩为7.5 m×2.5 m.在桥墩的下游约75 m处，修建拦沙坝1座，主要是用于保护桥墩安全，防止下游河道的溯源冲刷.桥梁位置、形态及拦沙坝位置(见图1)；桥墩及拦沙坝尺寸(见图2).

图1 桥梁和拦沙坝的位置

图2 桥墩及拦沙坝形状及尺寸

桥梁附近河道宽浅、岸线基本顺直，但主槽蜿蜒曲折，主槽宽一般在25～35 m.河道纵比降约为0.8%，河槽糙率约为n=0.023～0.025，河滩糙率约为n=0.030～0.035.桥梁百年一遇的设计流量为400 m3/s，相应河道平均流速为2.5 m/s.河道没有悬移质资料，推移质泥沙与表面床沙相近，床沙中径d50=6.6～7.2 mm，卵砾石、粗沙覆盖层厚约7 m.

2 研究模型建立

2.1 物理模型

物理模型采用正态模型，几何比尺λL为30.模拟河段总长为330 m，桥梁上游150 m，桥梁下游180 m；模拟河段宽度为140 m.物理模型布置图(见图3)；物理模型试验效果(见图4).

图3 物理模型平面布置

图4 物理模型试验效果

桥梁桥墩采用有机玻璃制作，拦沙坝采用木头制作.河滩采用水泥砂浆制作，表面撒细石粒增加粗糙度，主槽内地形使用模型沙塑造.物理模型进口流量由电磁流量计控制，尾部水位由测针控制，断面流速采用光电式旋桨流速仪和毕托管测量，表面流场采用VDMS流场监视仪测量.VDMS(流场实时测量系统)是运用数字摄像与粒子跟踪测速技术(PTV)研制开发的表面流场大范围同步测速与监控系统[8]，该系统对所研究的模型试验区域，可实现整体流场、断面流速分布、单点流速矢量的实时监测，提高了试验测量的精度和效率.

2.2 研究方案

试验一共34组，采用进口流量Q、坝顶高程Z和拦沙坝距桥墩轴线距离L，作为参数研究.试验组次(见表1).

表1 试验组次布置

3 拦沙坝对上游桥梁冲刷的影响分析

3.1 河道整体流场分析

通过各组试验观测，河道流量为100 m3/s时，水流完全在主槽内流动.河道流量为200 m3/s和250 m3/s时，水流基本仍然在主槽内流动，只有部分滩地上水(见图5(a)、(c)).河道流量为400 m3/s时，河道全断面过水.主流仍然集中在主槽内，虽然主槽只有30 m左右，但主槽流量却占全河道流量的63%～75%，而滩地流量约占总流量的1/3(见图5(b)、(d)).

图5 VDMS测量的整体流场

水流在桥墩前受到阻挡产生涌浪，壅高了上游水位，随后水流从桥墩两侧通过，水面跌落，在桥墩尾部稍有回升(见图6).拦沙坝的存在，使桥梁下游(墩后5 m至坝前之间)可以保持一个稳定的水深与水面坡降.

水面坡降J在同级流量下，随着坝顶高程的提高而逐级减少，例如：在Q=400 m3/s时,L=75 m时的水面坡降J为0.003 3～0.008 1(见图6(a)).水面坡降J在同级坝顶高程下，随着流量的提高而逐级减少，例如：L=45 m，Z=390.14 m坝上游水面坡降分别为J=0.003 4～0.008 9(见图6(b)).

图6 桥梁附近的水面线

3.2 桥墩附近流场分析

从流速方面来看，随着流量的增加，断面流速值亦相应增加.各方案下，墩前10 m处断面流速分布比较均匀,因为它受桥墩涌浪的影响较小，断面上各测点平均值一般为1.5～3.0 m/s之间(见图7墩前10 m处断面).墩前5 m处断面，平面上流速沿河宽呈现两侧流速大、中部流速小的平面分布形态(见图7墩前5 m处断面).垂向上由于水流在冲刷坑形成回流，造成该断面中轴线流速称“S”形分布(见图8).

桥墩两侧水流收缩，流速略有增加(见图7桥墩处断面).在桥墩末端,受回流影响水面产生跌落，墩尾流速减小至0.6 m/s左右(见图7墩后5 m断面).水流离开桥墩后，在各断面平面上也呈现两侧大、中间小的态势(见图7墩后10 m及20 m断面).至坝前10 m左右流速基本恢复至未受桥墩干扰的状态(见图7墩后35 m断面).

图7 桥墩附近特征断面垂线平均流速横向分布(L=75 m)

图8 桥墩前5 m断面中轴线垂向流速分布(L=75 m)

3.3 桥墩局部冲刷分析

从冲刷方面来看，各方案下桥至坝河段的一般冲刷线比原河床低0.3～0.5 m.桥墩冲刷坑形态为马蹄形，自墩前向桥墩逐渐收缩，桥墩后部受尾流影响形成燕尾型延长部，受地形影响并不完全对称，墩外侧较深，桥墩局部冲刷最深点在墩前约1 m的范围内，冲刷坑下游约长22～35 m(见图9).

图9 冲刷后河床高程等值线

随着水流流量的增大，桥墩附近局部冲坑的深度也会相应增加.在相同级别的流量下,拦沙坝高程的提高,上游河道水位逐级抬高,桥墩局部冲坑深度则相应减少，例如：在(L=75 m,Q=400 m3/s)情况下，桥墩局部冲刷深度为3.35～5.40 m.

拦沙坝移至45 m时，由于坝体仍然在桥墩局部冲坑下游坡之外，故对冲坑形态没有产生扰动影响.通过同级流量时，桥墩的局部冲坑深度及形态与75 m方案相比，基本一致，例如在(L=45 m,Q=400 m3/s)情况下，桥墩局部冲刷深度为3.8～5.37 m.

从冲刷坑发展过程来看，小流量时，冲刷坑发展速率平稳而缓慢的发展，很短的时间发展至平衡.随着流量的增大，冲刷坑发展速率明显增大，而且出现速率的波动现象，随着时间的延续，最终也会趋近于新的冲淤动态平衡.该过程为“平衡状态—破坏状态—平衡状态”交替发展.不同流量级的冲刷深度归一化后的发展曲线(见图10).

图10 冲刷深度发展过程

4 结 论

根据典型工程及河段的试验结果，得出研究河段的主流基本集中在主槽，即使进口流量Q=400 m3/s时全断面过水，主槽流量任占全河道流量的63%～75%，滩地流量仅占总流量的1/3左右.拦沙坝的存在使得桥梁下游可以保持一个稳定的水深与水面坡降.水面坡降J在同级流量下，随着坝顶高程的提高而逐级减少.水面坡降J在同级坝顶高程下，随着流量的提高而逐级减少.桥墩至拦沙坝间河段的一般冲刷不大，与流量成正比，冲刷面比原河床低0.3～0.5 m.

桥墩冲刷坑形态为马蹄形，自墩前向桥墩逐渐收缩，桥墩后部受尾流影响形成燕尾型延长部，受地形影响并不完全对称，墩外侧较深，桥墩局部冲刷最深点在墩前约1 m的范围内，深度随着拦沙坝的坝顶高程抬高而减小，随着拦沙坝与桥墩中心线的距离的减小而增大，但是一般不超过5 m，冲刷坑下游约长22～35 m.为使拦沙坝不受桥墩冲刷坑影响，拦沙坝位置应选择在距桥墩中心线下游约45 m，坝顶高程比坝址处河床高1.0～1.5 m.

[1] 俞高明.桥涵水力水文[M].北京：人民交通出版社,2002.

[2] 李东风,张红武,谢华伟,等.名山桥局部冲刷二维数值计算分析和防护研究[J].浙江水利水电专科学校学报,2012,24(4):9-12.

[3] 郭 超.桥墩冲刷与波流力的试验研究[D].北京：清华大学,2012.

[4] 张继东,陈星宇,颜永先,等.金塘大桥桥墩冲刷现状分析[J].浙江交通职业技术学院学报,2014,15(3):32-36.

[5] GAUDIO R, TAFAROJNORUZ A, CALOMINO F. Evaluation of Flow-Altering Countermeasures against Bridge Pier Scour[J].Journal of Hydraulic Research, 2012,50(1):35-43.

[6] 俞 艳,何思明.河流桥墩冲刷分析[J].中国水运,2014,14(10):227-229.

[7] 翟 钧.桥梁墩台冲刷病害及加固方法的分析[J].天津建设科技,2015,25(4):68-69.

[8] 孙东坡,张菲菲,王鹏涛,等.游荡性河段新型整治工程局部冲刷模型设计[J].泥沙研究,2010(5):66-71.

Study on Upstream Bridge Scouring Under the Influence of Sediment Storage Dam

XU Zhao-kai1, XIE Feng2, LI Dong-feng2
(1.Wentian College of Hehai University, Maanshan 243051, China; 2.College of Hydraulic and Environmental Engineering, Zhejiang University of Water Resources and Electric Power, Hangzhou 310018, China)

Sand dredging in the river will result in headword erosion against the riverbed near the bridge. In order to understand the protection effect of sediment storage dam and the interaction bridge scouring, in the study, a physical model was made based on typical engineering, 34 groups of experiments were set, the inlet flowQ, the height of the dam heightZand the distance between the dam and the bridge pier are taken as the research parameters, and the flow field, water line and scouring under each working condition were analyzed. The results showed that in the case of sediment storage dam, the riverbed between the pier and the dam which was processed by general scouring was 0.3 to 0.5 m lower than the original riverbed, that maximum depth of local scouring around the pier was generally not more than 5 m, and that influence range of local scouring to the riverbed of the downstream was about 25 to 35 m. Therefore, the dam should be positioned in the place which is at least 45m far away from the downstream of pier axis and the dam crest elevation should be 1.0 to 1.5 m higher than the riverbed.

bridge scour; sediment storage dam; physical model; VDMS

2016-10-23

国家重点研发计划项目(2016YFC0402500)；国家自然科学基金资助项目(51039003)

徐兆凯(1994-)，男，浙江杭州人，研究方向为水利工程及水资源.

TV149

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1008-536X(2017)02-0018-06