环翼式防冲板对圆端形桥墩局部冲刷试验及水力特性

牟献友+王丹+冀鸿兰+李春江+乔春林

摘要：由于传统桥墩冲刷防护措施的局限性，引入新型防冲装置环翼式防冲板，对圆端形桥墩冲刷进行防护，通过减小下降水流改变桥墩周围水流结构，主动降低了下降水流对桥墩的冲刷。为探究环翼式防冲板对圆端形桥墩局部冲刷的防护作用，采用3种比例圆端形桥墩、3种环翼式防冲板安装位置进行物理模型试验，对圆端形桥墩周围的冲坑特征、垂向流速、垂向紊动强度、紊动切应力等水力要素进行研究。结果表明：安装环翼式防冲板后，3种圆端形桥墩冲刷程度均减小，中圆端形桥墩冲刷减小幅度最大，冲坑体积减小率为30.0%；中圆端形桥墩安装环翼式防冲板后，墩前垂向流速减小为0.039 m/s、垂向紊动强度减小为0.025 m/s；防冲板上垂面紊动切应力增大，板下垂面紊动切应力减小。试验结果表明环翼式防冲板能够减小桥墩的局部冲刷，具有很高的实用价值。

关键词：圆端形桥墩；环翼式防冲板；冲坑特征；垂向时均流速；垂向紊动强度；紊动切应力；垂向紊动强度等值云图

中图分类号：TV131.6 文献标识码：A 文章编号：1672 1683（2017）05-0146-10

1研究背景

桥梁灾害发生的主要原因是桥墩的水毁，而水流冲刷是桥墩水毁的直接原因。因此，桥墩周围的水流结构和冲刷发展过程是十分值得研究的工程问题。针对桥墩周围水流结构和冲刷问题，许多学者在野外原型观测、物理模型试验、数值模拟等方面进行了研究。H.N.C.Breusers绘制了桥墩周围水流结构图，得出水流遇到桥墩后，桥墩附近流速、流向发生急剧变化，并且形成下降水流和马蹄形漩涡，使水流紊动剧烈形成冲刷坑。T.F.Kwan和Melville采用氢气泡技术测量桥墩周围流场，发现引起桥墩冲刷的主要原因是上游主漩涡和下降水流。W.H.Graf利用ADVP流速仪测量桥墩附近流场的三维流速，并用涡量场证明了圆柱形桥墩附近存在马蹄形漩涡，底部存在负涡量的反向流。Dou（1998）通过等权重线叠加下降流强度、涡量强度和湍流强度研究泥沙起冲作用，并建立了输沙率模型。胡旭跃、孟庆丰建立BP神经网络模型和模糊神经网络模型，对桥墩局部冲坑深度进行预测。祖小勇利用ADV流速仪绘制圆柱桥墩周围三维流速矢量图，确定桥墩紊流宽度与弗汝德数的关系。孙东坡利用有限体积法模拟桥墩附近三维流场的结构变化，数值模拟结果符合桥墩局部流场的特征。刘震卿使用k-ε标准模型对墩台周围流场进行模拟，还编写了桥墩冲刷C+模拟程序。祝志文通过雷诺时均N-S方程并结合标准k-ε湍流模型对桥墩冲刷坑变化过程进行模拟，数值模拟结果与试验结果基本一致。

目前，主要采用传统桥墩局部冲刷防护工程解决桥墩冲刷问题。传统防护工程包括实体抗冲防护和减速不冲防护两类。实体抗冲防护是在桥墩附近的床面上安放实体材料，减小下降水流和马蹄形漩涡影响的工程措施。减速不冲防护是在桥墩附近安装某些装置、改变桥墩自身结构减小水流对桥墩冲刷的工程措施。实体抗冲防护主要包括抛石防护、混凝土铰链排防护、扩大墩基础防护、四角混凝土块防护等；减速不冲防护主要包括护圈防护、桥墩开缝防护、墩前淹没槛防护等。传统桥墩冲刷防护工程存在整体性较差、造价高、防护易失效和易引起更大的冲刷等局限性问题，基于以上传统桥墩冲刷防护措施的局限性，课题组采用环翼式防冲板这种新型防冲装置对桥墩冲刷进行防护。环翼式防冲板通过减小下降水流改变桥墩周围水流结构，主动降低了水流对桥墩的冲刷，具有保护桥墩的作用。

前期试验中，课题组研究了防冲板在圆柱形桥墩上的应用：张万峰研究了挡板的防冲刷效果，结果表明安装防冲板后墩前冲刷坑的深度减小；成兰艳分析了防冲板的延伸长度和安装位置对冲刷坑深度的影响，得出防冲板与河床距离约为水深的1/3、挡板延伸长度与桥墩半径相同时，防冲效果明显；陈艳梅研究了防冲板形状对墩前垂向水流的影响和环翼式防冲板的最优形状，发现板前和板尾宽度为45 mm时水流垂向速度减小程度最大；王祚研究了防冲板数量对防冲效果的影响，试验表明安装两片防冲板时防冲效果最好；李春江分析了防冲板控制因素的主次关系，确定防冲板安装位置对防冲效果影响最大；柏涛对串联环翼式桥墩间的冲刷防护进行了研究，得出下游侧挡板安装位置对桥墩冲刷影响大。

圆端形桥墩可减小水流的阻力，且适合作为支撑结构，是铁路跨河橋使用最广泛的墩型，因此本文研究了防冲板在圆端形桥墩上的应用。胡旭跃研究了圆端形桥墩的侧向紊流宽度，结果表明在一定范围内，随弗汝德数的增大，紊流宽度增大；庄元研究了行进流速、行进水深、来流角度等因素对圆端形桥墩紊流宽度的影响。以上研究均给出了紊流宽度的公式，缺乏对减小水流紊动强度的探究。本文采用环翼式防冲板减小水流对圆端形桥墩的冲刷，结合已有研究成果，对圆端形桥墩周围冲坑、垂向时均流速、垂向紊动强度等进行研究，从而分析防冲板减小水流紊动的效果。

2试验原理及概况

2.1试验原理

研究桥墩周围的水流结构，可以从根本上解决桥梁水毁的问题。行进水流遇到桥墩时，流速降低，动能转换为势能，并在桥墩迎水面处形成驻点，导致墩前水面壅高，驻点压力又在垂向上形成压力差，使得水流向下汇聚成下降水流；行进水流在桥墩迎水圆弧处分离流向桥墩两侧，两侧绕流流线加密，流速增大，床面附近形成马蹄形漩涡，马蹄形漩涡沿桥墩向下游发展且逐渐衰变为水流的紊动；在墩后由于桥墩两侧边界层分离形成尾流漩涡区，且河床床面不断释放因尾流漩涡和马蹄形漩涡作用而产生的小漩涡。圆端形桥墩周围水流结构见图1。

2.2试验装置

试验在长2000 cm，宽50 cm，高90 cm的敞口玻璃水槽中进行，人工调整的最大坡降是0.124%，如图2所示。试验装置主要由独立供水循环系统、vectrino声学多普勒点式测速系统、桥墩模型、防冲板模型等组成。试验段铺设长度50 cm，厚度23 cm的泥沙用于模拟河床表面的泥沙状态，试验采用均质细沙，中值粒径D=0.24 mm。试验采用电磁流量计测量流量，流量调节阀控制流量；精密水位仪测量水位，出口尾门调节水位。

2.3试验平面布置

如图3所示，桥墩模型由PVC管制成，防冲板由PVC板材制成。水流遇不同圆端形桥墩时，水流结构的改变和紊动强度的变化不同，因此结合相关已完成预试验，并根据前期野外原型观测，进行模型比尺的计算以及水槽的尺寸，设计了小、中、大3种圆端形桥墩，尺寸分别为：小圆端中间矩形长15cm，宽9 cm；中圆端中间矩形长20 cm，宽9 cm；大圆端中间矩形长25 cm，宽9 cm；圆端端头半径均为4.5 cm。防冲板内径、板前端宽度、板尾端宽度均为4.5 cm。小、中、大圆端形桥墩分别用s、m、l表示；桥墩中间矩形长宽比用b：2r表示；测点高度与水深的比值用r表示。

如图4所示，桥墩周围布置7个断面，7条测线；如图5所示，垂向5个测点。采用vectrino流速仪测量各测点X、Y、Z方向的流速，X、Y、Z分别代表垂直水流方向、顺水流方向、垂向方向。断面、测线的布置根据墩前、墩中、墩后水流结构的变化及墩头半径确定；测点的布置由表层、中层、底层水流紊动变化及防沖板安装位置确定。

2.4试验参数

3试验结果与分析

试验开始先用小流量给水，逐渐增大流量，直至达到需要的流量和水位。试验中，无论有无防冲板，水流流经桥墩时，冲刷坑均先从桥墩墩头两侧开始形成，随冲刷坑深度的增加，冲刷坑范围增大，墩前形成冲刷坑。冲刷坑上游边缘泥沙随水流崩塌，落入坑内，最后被水流带到墩侧和墩后，并在墩后形成长距离沙脊。试验中，观察到水面线波动较大；半小时内冲刷坑形态基本稳定；半小时后冲刷坑形态变化微小。

3.1冲坑特性分析

试验过程中，随圆端形桥墩b：2r不同，试验现象亦不同。试验中测量冲坑深、墩左右两侧冲坑宽度、计算冲坑体积等，结果见表1。

从表中可以看出，无防冲板时，随圆端形桥墩b：2r的增大，对水流结构影响增大，因此冲坑深、冲坑体积均增大；安装防冲板后，由于防冲板阻挡下降水流对墩前泥沙的冲刷，桥墩的最大冲坑深度和冲坑体积均减小。无板时，随桥墩b：2r的增大左右两侧冲坑宽度增大；加板后，s、m、l左右两侧的冲坑宽度整体均减小，且防冲板安装在1/3h处冲坑宽度最小。3种桥墩安装防冲板位置不同时，冲坑深减小率和体积减小率不同，但均在1/3h处减小率最大防冲效果最好。防冲板安装在1/3h处时，s、m、l桥墩冲坑深减小率分别为10.5%、12.5%、6.6%；冲坑体积减小率分别为20.0%、30.0%、21.7%；3种桥墩中，中圆端形桥墩的冲坑深减小率和体积减小率均最大。随桥墩中间b：2r的增大，冲坑深减小率和冲坑体积减小率先增大后减小，防冲板防冲效果先增大后减小。

3.2三种圆端形桥墩水力特性分析

由以上的分析可知，在试验的3种安装位置下，采用相同防冲板，安装位置在1/3h时防冲效果最好，因此本文研究防冲板安装在1/3h处，Q=0.028m³/s的试验工况下3种圆端形桥墩的水力特性。