专利名称：一种桥梁墩台最大冲刷深度的测控方法
技术领域：
本发明属于桥梁设计领域，尤其涉及一种桥梁墩台最大冲刷深度的测控方法。
背景技术：
建桥后，由于桥梁墩台对水流的阻碍，将引起桥墩周围水流结构的剧烈变化，在其前沿形成下降水流，垂直向下，猛烈冲刷床面泥沙，在墩台前形成漏斗形的冲刷坑，称为局部冲刷。随着冲刷的不断进行，细颗粒泥沙被带走，粗颗粒泥沙遗留下来，河床逐渐粗化，最终也会达到新的冲淤平衡状态，此时局部冲刷结束，形成的冲刷坑的最大深度叫做局部冲刷深度。局部冲刷坑的深度和大小，与很多因素有关，除涌向桥墩水流的行近流速外，主要的还有桥梁墩台宽度、水深和床沙粒径等。半个世纪以来，很多国家的学者对桥梁墩台局部冲刷做了大量的模型试验研究，获得了丰富的试验资料，并为桥梁墩台设计预测桥梁墩台冲刷深度提供了测控方法。据不 完全的统计，国内外学者从不同途径、设想撰写发表的局部冲刷深度计算公式约有50个。目前，俄国多数设计院使用的公式是前苏联1972年制定的《铁路公路勘测设计规范》中的公式；美国设计部门多数采用美国联邦公路局(FHNA)在1980年I月关于桥墩局部冲刷的研究报告中发表的公式。近20年来这方面没有多大进展，除了搞室内试验外，还着重现场实桥观测资料的收集，力图从不同角度得出更为简单并能实际应用的计算公式。我国开展桥梁墩台局部冲刷的研究工作始于1958年，1964年提出65_1、65_2两个计算公式，包含的因素较为全面，特别是对河床底沙运动的考虑，是外国一些公式所不及的。桥墩的局部冲刷，建桥后，桥位河段水流结构发生改变。桥墩周围的水流结构主要包括墩前向下水流、墩前水面涌波和桥墩周围尺度很大的旋涡体系。旋涡体系是一种复杂的水流结构，是预测桥墩局部冲刷的主要因素。其中包括墩前下降水流和两侧绕流在床面附近形成的马蹄形漩涡以及在墩两侧边界层分离形成的尾流漩涡以及在墩两侧和墩后由床面附近释放的小漩涡。旋涡形成一个低压中心，牵动马蹄形旋涡区内的流体不断地进行横向、竖向和前后摆动，剧烈淘刷桥墩迎水端和周围泥沙，形成局部冲刷坑。伴随旋涡的产生，床面静止的泥沙突然呈现阵发性随机运动状态，在桥墩下游两侧旋涡相汇，泥沙沉积形成很长的沙脊。当行近流速较小时，在桥墩下游约8倍墩径(宽)处旋涡消失。通常桥墩迎水面两侧附近旋涡速度最大，对床沙作用最强。当这里的流速达到床沙启动流速时，床沙开始向下游移动，桥墩开始冲刷。这时桥墩上游的行近流速V' ^大约等于O. 4至O. 6倍的床沙起动流速Vci,该行近流速称为起冲流速。当桥墩上游的行近流速V低于床砂起动流速Vtl时，床面无泥沙运动，桥墩冲刷坑没有上游冲来的泥沙补给，称为清水冲刷。行近流速V超过床砂起动流速Vtl时，床面泥沙处于运动状态，上游泥沙落入冲刷坑，坑内泥沙得到补给，称为动床冲刷。清水冲刷当冲刷坑内的流速逐渐趋近于泥沙起动流速时，冲刷趋向于停止；动床冲刷当冲刷坑内的泥沙补给率和输出率趋向于平衡时，冲刷趋向于停止，这种状态称为平衡冲刷，我们通常所指的局部冲刷就是指冲刷平衡时的局部冲刷深度。桥梁墩台的局部冲刷达到稳定冲刷深度都需要一定的冲刷时间才能完成，而已有的冲刷试验资料表明，冲刷稳定时间的长短，随流速比νΛ、水深h和泥沙粒径d有关，与建筑物的尺寸大小和形状无关。因此，进行局部冲刷的试验研究时，要保证达到平衡局部冲刷需要很长的时间，如果冲刷时间不够，很难确定所得结果是否为真实的桥墩局部冲刷深度。对于清水冲刷来说，一般没有问题，因为在整个过程中，局部冲刷坑内没有得到上游河床输移来的泥沙补给，所以清水冲刷能够一直进行下去并最终达到平衡冲刷；但是对于动床冲刷来说，由于有上游来沙补给，因而达到平衡冲刷需要较长的时间，如果满足动床冲刷的水流条件的时间小于达到动床冲刷所需要的时间，则平衡冲刷不能达到；对于一般的冲积河流来说，天然情况下这种时间通常来说都是能够得以满足的，因为其水深和流速常年能够保持在一定的水平，因而局部冲刷一直在进行，并在经历较长的时间后达到平衡冲刷深度。 目前，在我国使用的局部冲刷深度公式主要有以下一些1、65-1 公式
权利要求
1.一种桥梁墩台最大冲刷深度的测控方法，其特征在于，所述测控方法包括以下步骤 第一步通过桥位河段钻机在河底钻孔取沙，用不同筛径的筛子分选各级床沙，用电子天平称重，计算小于某一粒径的质量，粒径小于Imm的床沙用粒度分析仪测量确定，绘制级配曲线并确定床沙中值粒径d5(l ； 第二步收集建桥前的桥位河段地形图，在桥位上下游I 2km河道顺直段各选择一个断面作为计算起始点，选取主流河槽附近河底地形高程最低点，沿主流河槽在两断面之间绘制深泓线，测量出两断面间距离，根据绘图比尺得到天然河段两断面间间距，计算床面比降J ; 第三步收集桥位河段流量资料，绘制流量过程曲线，选择典型洪水流量过程，推求设计洪水洪峰流量Q，并根据大桥桥长L计算桥位断面的单宽流量q ； 第四步根据大比降卵砾石河流河段实际调查结果，做桥台冲刷概化试验，变坡水槽长为16米，宽为I米，水位采用精度为O. Imm的测针读取，流量采用自控系统控制，地形采用二维地形测量仪测量；为使试验具有良好的水流条件，试验段布置在变坡水槽出口 I 5米处铺沙，其中桥墩置于3米位置； 第五步桥台冲刷概化试验中动床模型比降选取O. Ol和O. 018两种，墩径设置O. 05m、O. Ilm和O. 16m三个方案，模型床沙中值粒径选取O. 0075m和O. 004m两组，控制多组单宽流量，进行24组次试验； 第六步根据桥台冲刷概化试验统计数据，对单宽流量q，床面比降J，床沙中值粒径CU以及墩径B，采用多参数相关分析方法对桥墩周围的局部冲刷深度hb进行公式拟合。
2.如权利要求I所述的测控方法，其特征在于，所述测控方法中动床模型是根据大比降卵砾石河流河段实际调查后概化的，具有同类河流的一般特征，包括河相特征和洪水特征。
3.如权利要求I所述的测控方法，其特征在于，所述测控方法中根据大比降卵砾石河流河段上桥涵设计情况，桥墩墩径基本是I. O I. 5m的圆柱形墩，在动床模型中将墩径概化为具有普遍意义的IOcm圆柱桩。
4.如权利要求I所述的测控方法，其特征在于，所述测控方法中桥墩冲刷深度与桥位处洪峰最大单宽流量、河床比降以及河床的粒径组成关系较大，一般说来，随单宽流量、河床比降呈增加趋势，而随河床粒径呈减小趋势。
5.如权利要求I所述的测控方法，其特征在于，所述测控方法中采用多参数相关分析对桥墩周围的局部冲刷深度进行公式拟合，得出如下桥墩冲刷深度公式\ = 0.6( 0 52J005^3 式中hb-桥墩最大冲刷深度，指建桥前床面至冲刷坑底距离； J-建桥前的河床比降； q-桥位断面的单宽流量，由洪峰流量和桥长决定，q = I 10m3/s. m,单位为m3/s · m ; d50-床沙中值粒径，取样由钻孔资料确定，取样孔不少于3个，d50 = O. 013 O. 054m。
6.如权利要求I或5所述的测控方法，其特征在于，所述下桥墩冲刷深度公式是在特定桩型和桩径的动床冲刷试验中得出，拟合公式相关系数为R2 = O. 85。
全文摘要
本发明属于桥梁测设计域，提供了一种桥梁墩台最大冲刷深度的测控方法，首先设计桥墩冲刷试验方案，然后对动床试验结果进行分析，针对在特定的洪水过程中，桥墩冲刷深度和桥位处洪峰最大单宽流量、河床比降以及河床的粒径组成关系较大，随单宽流量、河床比降呈增加趋势，而随河床粒径呈减小趋势。采用多参数相关分析对桥墩周围的局部冲刷深度进行公式拟合，得出了桥墩冲刷深度的拟合公式，针对性较强，适合于大比降卵砾石河流河段所建桥涵，拟合公式相关系数较高，解决了现有的计算桥墩的局部冲刷深度的公式，不适用于大比降卵砾石河流河段，计算不合理的问题。
文档编号E02B1/02GK102864756SQ20121033064
公开日2013年1月9日 申请日期2012年9月10日 优先权日2012年9月10日
发明者付旭辉, 胡江, 张艾文, 兰艳萍, 杨胜发, 李文杰, 谢龙, 龚久南 申请人:重庆交通大学