顺水桥梁壅水影响因素试验研究

2020-08-04严建科

筑路机械与施工机械化 2020年6期

严建科，焦臣，沈波，龙涛

(1.中交第一公路勘察设计研究院有限公司，陕西西安 710075；2. 长安大学公路学院，陕西西安 710064)

0 引言

跨河桥梁桥面设计高程除了应考虑设计水位之外，还需考虑壅水、浪高、上部构造建筑高度等的影响[1-2]。桥梁阻水壅高可能造成局部水流速度减缓和淹没范围增大、程度加深等不利影响，严重时可能威胁堤防等水利工程的安全及人民群众的生命财产安全。桥墩壅水是由桥墩阻碍水流运动，使墩前能量转变而造成的墩前上游水面抬高，其影响因素复杂，包括：上游来流条件、河渠几何尺寸、沿程糙率、桥墩形状及布置形式等。近年来这方面的研究逐渐增多[3-9],但针对顺水桥梁壅水的研究相对较少。本文重点研究流量、墩间距、墩径、顺水方向及横向墩数等对顺水桥梁壅水的影响。

1 试验设备

为了研究顺水桥位壅水情况，试验固定水槽宽0.6 m，长15.0 m，高0.7 m。壅水试验如图1～2所示。试验前，上游进口控制流量，尾门调节保证水槽渠道均匀流动，在停水固定位置安置圆柱墩完毕后，重新放水进行壅水试验数据测定。

图1 水槽两侧对称布墩

图2 水槽单侧布墩

2 流量对顺水桥梁壅水的影响

2.1 墩两侧对称布置

定床试验选取流量Q为60、40、20 L·s-1，对壅水特性进行分析，桥墩对称贴水槽壁模拟。布置形式为：墩径20 cm的上、中、下3个墩两侧对称布置，相邻墩间距91 cm。由图3可见，流量对壅水的影响从水位上来看是显而易见的，流量越大，水位越高。在柱径、间距等一致的情况下，流量不同，其水面线的波动程度不同，即流量越大，墩前壅水和墩后落水的落差越大；流量越小，墩前壅水和墩后落水的落差越小。具体水面线体现在水面波动情况，如数据中Q=60 L·s-1的水面，比Q=20 L·s-1的水面波动明显偏大；但当流量均较小时，这种差别不再明显：Q为40、20 L·s-1时，虽然水位差以及最大壅高差明显，但是水面波动情况比较接近。

图3 水槽两侧对称布墩、不同流量的水位

2.2 墩单侧等间距布置

取流量Q为60、40、20 L·s-1，布置形式为：水槽右侧布置4个墩径20 cm的圆柱墩，相邻墩间距162 cm，对壅、落水面特性进行比较。由图4可见，流量越大，水位越高。在相同的布置形式下，流量不同，水面线波动程度也不同，即：流量越大，墩前壅水和墩后落水的落差越大；流量越小，墩前壅水和墩后落水的落差越小。具体水面线体现在水面波动情况，如Q=60 L·s-1的水面，比Q=20 L·s-1的水面波动明显偏大；但是当流量均较小时，这种差别不再明显。如Q为40、20 L·s-1时，虽然水位差以及最大壅高差明显，但是水面波动情况比较接近。不同流量会造成不同壅水、落水峰值，但是墩壅水、落水位置几乎一样，面极值点位置几乎一致，即：流量差异并没有造成壅水趋势变化，也没有造成壅水、落水位置转移。

图4 水槽单侧布墩、不同流量的水位

3 顺水桥墩间距对壅水的影响

桥墩间距不同，对桥下水流造成的压缩程度也不同。为探讨桥墩间距对壅水的影响，进行定床试验。

3.1 直径20 cm四墩单侧不同间距布置

Q为60 L·s-1，在水槽右侧布置4个直径20 cm的墩,上游1号墩位置固定，相邻墩中心间距分别为91 cm和162 cm。由图5可见，墩数、墩径、流量、布置形式相同时，墩间距为162 cm的水位壅高明显；但壅水位最高值基本一样，墩间距162 cm时为20.7 cm，墩间距91 cm时为21.0 cm；壅水起始点也位于同一位置，均位于离出水口7 m处。由于墩间距不同而造成的壅水距离的差异也在一定距离后消除，水位再次趋向一致。如墩心间距分别为91 cm和162 cm的时候，位于7 m处测点的水位值(也是最大壅高值)几乎一样，而位于0 m出水口处的水位也趋于一致(16 cm)。但是在壅水范围内，二者的壅水水面线的波形存在差异，这是由于墩间距的不同造成墩前壅水和墩后落水位置、范围不同而引起的。

图5 4个墩按不同间距布置的水位

3.2 直径30 cm三墩单侧不同间距布置

Q为60 L·s-1，在水槽右侧布置3个直径30 cm的墩，上游1号墩位置固定，相邻墩心间距分别为101 cm和172 cm。图6也体现了与图5同样的特征，在距离出水口处2.0～6.5 m的范围内，墩间距172 cm比墩间距101 cm的水位壅高明显。但是壅水水位的最高值同为18 cm，且起始点同样位于距离出水口7 m处；在距出水口0.5 m处，水位再次趋向一致。从2个水面中均可看出，墩间距较大时，水位在壅水范围内波形较缓；墩间距较小时，水位在壅水范围内波形较“碎”。这是由于墩间距较小的时候，后一个墩的壅水和前一个墩的落水不充分，壅水和落水互相重叠、影响，造成单一墩的壅水、落水过程不完整。随着墩间距的增大，墩后落水位置相应后撤，即一个完整的壅、落水波的位置相应后撤。

图6 3个墩按不同间距布置的水位

4 顺水桥梁墩径对壅水的影响

墩径直接影响过流断面的大小，所以墩径对壅水的影响也十分显著。流量Q为60 L·s-1，在水槽右侧布置4个墩，墩中心间距均为152 cm，墩径分别为10、20、30、40 cm，分为4组进行研究。

不同墩径的上游1号墩位置横断面各测点的水位如图7所示，可以看出墩径不同造成的壅高差异比较明显，墩径越大，水流断面压缩越大，在该断面壅高就越大。如墩径为40 cm时断面最大壅高达到了27.3 cm，墩径为30 cm时最大壅高为20.97 cm，均比墩径为10、20 cm时大很多。墩径分别为10、20 cm时，断面壅水差别并不明显，可以理解为在一定范围内，墩径对过水断面壅高的影响是有限的，但是当墩径为30 cm和40 cm时，断面各点的壅高明显增加。

图7 不同墩径下的1号墩过水断面处横向水位

为了研究不同墩径对壅水趋势的影响，分别在顺水方向距水槽出水口6.0 m、横向距水槽右侧槽壁30 cm处(测点1)，顺水方向距水槽出水口6.5 m、横向距水槽右侧槽壁30 cm处(测点2)，顺水方向距水槽出水口6.5 m的水槽右侧槽壁处(测点3)，测量4种不同墩径对应的壅水值，如图8、9所示。通过观察不同墩径下同一点的水位可以发现，随着墩径的增大，处于壅水段的水位也增高。墩径为10、20、30、40 cm时，测点1处壅高分别为18.00、18.51、20.80、26.18 cm；测点2处壅高分别为18.80、20.60、24.68、31.02 cm；测点3处壅高分别为17.81、20.82、25.11、31.2 cm。虽然它们增长的趋势略有不同，但是总趋势是一致的，即墩径越大，引起的壅高越高。

图8 测点位置分布

图9 3个测点的水位随墩径变化

5 顺水方向墩数对壅水的影响

为研究墩数是否会对壅水产生影响，做2组试验。第1组试验流量Q为60 L·s-1，在水槽右侧布置4个直径20 cm的墩，墩中心间距91 cm；第2组试验流量Q为40 L·s-1，在水槽右侧布置3个直径20 cm的墩，墩中心间距91 cm。由前述可知，流量并不影响壅水的整体趋势和壅水、落水位置，所以在研究墩数对壅水特性影响的时候，采用不同流量并不会对整个壅水状况造成影响，所以认为在不同流量、不同墩数、相同布置形式、相同墩间距的情况下，可以对墩数的影响进行比较分析。

单侧布置不同数量圆柱墩时，各测点的水位如图10所示。由图10可看出，其壅水、落水位置几乎一致。最大壅高均在1号墩前0.5 m处，第1个落水位均位于距出水口6 m处；第2个壅水位置在距出水口5.5 m左右处，第2个落水位置在距出水口5 m处左右；第3个壅水位置在距出水口4.6 m左右处，第3个落水位置在距出水口4.2 m处；单侧布置3个墩的水面在最后一次落水后水位略微回升，布置4个墩的水面继续发生最后一个墩的壅水、落水过程。可见，墩数对于壅水的影响仅仅是壅水范围的变化，即随着墩数的增加，壅水范围会相应增大。在墩间距一样的情况下，壅水、落水发生的位置几乎一样；流量只会造成壅水、落水峰值的变化，对壅水形态无本质影响。所以认为墩数对于壅水本身的影响主要在于壅水发生的范围。

图10 单侧布置不同墩数的水位

6 顺水桥梁横向墩数对壅水的影响

在桥墩过水时，为了减少桥墩阻水，多用独柱墩(盖梁上横向设多个支座),但为了提高结构稳定性，则多用双主墩,对比研究横向桥墩个数对壅水的影响有实际意义。选取流量Q为40 L·s-1，在水槽内顺水流方向布置3排直径20 cm墩，纵向顺水墩间距同为91 cm,横向分别按靠近水槽壁两侧(双柱墩)和单侧(独柱墩)2种形式布置圆柱墩。

由图11可见，在流量、墩数、墩径以及墩间距均相同的情况下，二者的壅水峰值(即最大壅高)有明显的不同：位于距离出水口6.5 m处(即距离1号墩中心0.5 m处)的最大壅高值分别为17.3 cm(两侧布墩)和14.3 cm(单侧布墩)，由此可见两侧布墩由于更多地对水流断面进行压缩，比单侧布墩时引起的壅水更高，这种影响反映到水面线上很明显。两侧布墩的墩后落水明显，如在距离出水口3.8 cm处两侧布墩有明显落水；单侧布墩水流断面压缩不如两侧布墩，所以壅水过程不如两侧布置时充分。从冲刷的角度来说，两侧布墩的末墩河床冲刷更强烈。

图11 横向布置不同墩数的水位

由图12、13可见，流量Q=40 L/s,顺水流方向布置3排直径20 cm的墩，墩间距91 cm,在两侧布墩的情况下，水流由于受到对称压缩，在一定单宽下左右两侧显示出较统一的壅水、落水曲线。但是在单侧布墩情况下，只在右侧(即墩布置侧)显出较明显的壅水、落水，而左侧相对比较缓，水位波动不大，壅水过程不明显。