1. 引言
水流作用下,冲刷通常在河道桥梁的墩台周围持续发生。桥梁设计工作者在进行桥梁基础设计时,必须考虑采取一些防护工程对桥墩周围的床面进行护底防护,以保证桥墩的安全与稳定。而在所有的冲刷方式中,局部冲刷对桥梁产生最大威胁,这是因为它使得桥基周围形成冲刷坑进而减小其埋藏深度。因此,桥墩局部冲刷防护工程一直是防止河槽中桥墩周围床面冲刷、桥墩失稳和桥梁水毁的重要措施之一。为了减轻局部冲刷现象,研究人员开发了各种方法来保护桥基。近年来研究过的实体抗冲防护工程措施包括护圈防护 [1] [2] 、桥墩开缝防护 [3] 、墩前牺牲桩防护 [4] [5] 以及护坦减冲防护等。但对于框架体结构应用与桥墩局部冲刷防护还不多。本文将混凝土圆柱体作为研究对象,并将木制网架结构绑定为边界,初步研究网架结构对局部冲刷的影响,因此本研究仅建立了三种试验工况,并从流场和冲刷过程两方面对试验结果进行了分析。
2. 实验方案
2.1. 试验装备
试验采用的混凝土圆柱体的直径为0.15米、高度为0.3米。水流速度采用美国Nortek USA公司生产的声学多普勒测速仪测量,这种水流测速仪是一种高分辨率的声学测速仪,用于测量从实验室到海洋的各种应用中的3D流速测定。木制框架结构由104根直径为0.008米的木棒制成,如图1所示。
图2为实验装置在水槽中的布置图。该实验水槽位于同济大学水利与港口工程综合实验室,其长为50.0米,宽为0.8米,高为1.2米。该水槽的双向流动模拟系统可以模拟恒定流和非恒定流,最大流速为0.3 m/s,水槽中部设置长1.0 m、宽0.8 m的透明玻璃板。水槽的其他底板由不透水混凝土制成,所有侧壁由有机玻璃材料制成。在水槽的两端分别安装了两个金属网,以保证水槽中的流量稳定。在玻璃板上粘贴5 cm × 5 cm的透明网格以利于定量分析。在玻璃板下面设置一个摄像机来记录冲刷过程,这为研究石英砂运动提供了一种高度可视化的方法。摄像机的分辨率为1920 × 1080像素、最大帧频为50 Hz,有效的摄像面积为0.96 m × 0.65 m (长度 × 宽度)。为了更清晰地记录局部冲刷过程以及更快地得到冲刷结果,将砂层厚度为0.014 m,将圆柱体置于玻璃板的中心,然后将石英砂均匀地铺设在水槽中。石英砂的半径服从均匀分布,平均半径为0.748 mm,最大半径与最小半径之比为2.0,粒径分布范围为0.5 mm~1 mm。石英砂的密度为1800 kg/m3,水深为0.3 m。
(a) 框架结构的几何俯视图
(b) 实际模型的俯视图
(c) 框架结构的侧视图
Figure 1. Wooden frame structure
图1. 木制框架结构
2.2. 试验内容
在冲刷试验开始之前,对单个混凝土圆柱体在不同流速下的局部冲刷进行了试验。当流速约为0.26 m/s时,桥墩周围出现明显的局部冲刷,但冲刷过程非常缓慢,因此最终试验在为0.288 m/s时进行。图3所示为框架结构在圆柱体上的安装模式,并以此建立三种工况的试验,见表1。流场的测量点如图3所示,并设置了三个测量层,其测量层的位置设置为30 cm、25 cm和20 cm水深。
根据已建立的工况,各试验的准备工作(不加水)据图2完成。水流以0.022 m3/s的流量从水库在水槽前部的进水口向水槽中缓慢注入水。当水深达到0.3 m时,关闭水槽入水水泵。当沙子浸泡0.5小时后,打开流量泵产生流速。实验开始时,据不同工况,流速由0增加到特定值,水流流速的增量约为0.005 m/s,当流速达到要求值时,打开摄像机记录冲刷过程。局部冲刷稳定后,采用声学多普勒测速仪(ADV)测量圆柱或框架体周围的流场。在本研究中,局部冲刷约0.5小时后稳定。最终当冲刷超过1小时,关闭流量泵停止水流流速,然后慢慢地从水槽中放出水并记录最后的冲刷结果。
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Table 1. Specific conditions of the three working conditions
表1. 三种工况的具体情况
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Figure 3. Installation modes of frame structure under different cases and flow velocity measurement points of each measuring layer (unit: cm)
图3. 不同工况下的框架结构安装方式及各测量层的流速测量点(单位:cm)
2.3. 冲刷面积的测量
当实验完成后,获得冲刷过程的视频。如2.1节所述,在玻璃板上粘贴的5 cm × 5 cm网格便于快速计算。图4为试验编号为E1的试验冲刷结果,此时冲刷时间为30分钟。网格分析表明,局部冲刷面积约为32 × 25 cm2。
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Figure 4. Local scouring results of test E1 when scouring time is 30 minutes
图4. 试验E1在冲刷时间为30分钟时的局部冲刷结果
3. 试验结果
对工况E1、E2和E3进行流场分析,结果如图5所示。在图5中,每个箭头线的大小表示当前速度的大小。各组试验的流速为0.288 m/s,测量点如图3所示,每个点在高度方向上测量3层。总体而言,各点流速随水深增加变化不大。而框架结构使水流运动更加稳定,这是因为框架结构的存在增加了更多的阻水结构,使得水流的绕流变轻。E2、E3的结果表明,出水口后水流速度明显减小,说明圆柱体的绕流减轻后,在空隙体内部的水流减缓,因此对泥沙的冲刷作用极大地降低。在E3工况下框架体下游出口的近底流速大于E2工况中的情况。
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Figure 5. Flow field under three conditions (overlooking) at the velocity of 0.288 m/s, Dw stands for water depth
图5. 流速为0.288 m/s时,三种工况下的流场情况(俯视),其中Dw代表水深。
如图6所示为E1、E2和E3的冲刷发展过程,仅对桥墩周围的局部冲刷进行分析。结果表明,E1工况下,随着冲刷时间的增加,混凝土圆筒周围的砂粒迅速移动,形成圆形冲刷坑;60分钟后,混凝土圆筒周围的石英砂基本消失。而框架结构的引入减轻了绕流的强度,进而减少了石英砂的冲刷,使得圆柱体后的石英砂留存更多。工况E2的框架结构安装方式比工况E3能在圆柱体周围保留更多的石英砂。但在E2和E3情况下,框架结构与水槽侧的距离较小,导致框架结构与水槽边壁之间的冲刷极为强烈。对冲刷时间为60 min的3种情况,将水槽下摄像机拍摄的照片与俯视图拍摄的照片进行了比较,表明水槽下摄像机的记录准确反映了局部冲刷的实际情况。
结合图5和图6,当水流速度速接近于零的区域表示不同的结果:在没有框架结构的情况下,这些区域不存在石英砂,而在框架结构安装的工况下则相反。框架体中每一个圆杆相当于是一个小型圆柱,水流流过时产生绕流,但由于框架体的圆杆尺寸较小,距离较近,使得各绕流相互影响进而抵消,最终使得圆柱体绕流强度很小并减少了泥沙冲刷,保存了更多的泥沙。
图7所示为局部冲刷面积随冲刷时间的增加而变化的情况。分析结果发现,当流速为0.288 m/s时的冲刷过程开始阶段,混凝土圆柱体周围的局部冲刷面积迅速增加,20分钟后,所有局部冲刷开始稳定,E1、E2和E3的冲刷面积分别为0.115 m2,0.05 m2和0.08 m2,其中E2和E3的冲刷面积分别与E1的冲刷面积比为43%和69%,说明E2使得冲刷面积减小了一半。因此框架结构的存在显著地减少了局部冲刷,并且工况E2比E3更加有效。
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Figure 6. Scouring process for 3 cases when flow is 0.288 m/s. For every case, the former 3 figures were recorded through the camera under the glass plate, and the last one was recorded from the top view of the flume
图6. 流速为0.288 m/s时3中工况下的局部冲刷过程。每组前3张图片为玻璃板下的摄像机记录结果,最后一张图片为从水槽顶部俯视记录的照片
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Figure 7. Changes of local scouring areas with increase in scouring time
图7. 局部冲刷面积随冲刷时间的增加而变化
4. 结论
本文通过三个工况的试验,研究了框架结构对混凝土圆柱体周围局部冲刷的影响。从流场和冲刷过程两方面对计算结果进行了分析。主要结论如下:
1) 在水槽下设置摄像机,记录局部冲刷过程,可以最有效地获得局部冲刷面积的变化结果。基板上粘贴网格可以很容易地计算冲刷面积,以便比较不同情况下的冲刷强度。
2) 框架结构的存在大大减小了局部冲刷,并将更多的砂子存留在圆柱体后。
3) 如果框架结构的进水口较小,则能更有效地减少局部冲刷。
致谢
本研究受到国家自然科学基金委员会面上项目(编号11172213和51479137)资助。