收稿日期:2004212209
作者简介:张佰战(1970-),男,黑龙江拜泉人,副研究员,硕士,主要从事桥渡水文计算及水工模型试验研究。
桥墩沉井吸泥下沉冲刷试验研究
张佰战,林桂宾,戴荣尧
(铁道科学研究院,北京 100081)
摘要:本项试验是确定黄河长东二桥施工期间沉井吸泥下沉时,是否危及附近既有桥安全,以及设计洪水流量条件下新桥的局部冲刷深度。为探索模拟沉井通过吸泥逐步下沉及其周围局部冲刷相似的试验方法,除一般局部冲刷常用的相似准则以外,还计入了沉井重力相似、吸泥(输沙量)相似、沉井外壁摩阻相似等方面的相似准则。并研究拟定了一些论证沉井逐步下沉时对附近既有桥安全影响的试验方案和判别方法。
关键词:冲刷试验;桥墩沉井;吸泥下沉
中图分类号:T Vl31161 文献标识码:A 文章编号:04682155X (2006)022*******
1 前言
新荷复线铁路黄河长东二桥桥址位于原有长东桥上游,由铁道部大桥工程局负责设计与施工。该桥拟采用机械吸泥的方法使沉井下沉,鉴于选用的桥址为距既有桥上游30m 和50m 二个方案,均距既有桥桥址甚近,新桥施工期间在沉井下沉过程中,是否会造成沉井外部大量泥沙向沉井内部翻沙现象,从而影响下游既有桥桥基的安全,以及新桥建成后在设计流量作用下的局部冲刷深度等问题是设计和施工迫待解决的关键问题。
图1 桥墩及沉井尺寸
Fig.1 Pier and open caiss on foundation size
2 试验任务与要求
211 新桥沉井吸泥下沉对既有桥桥墩基础安全的影响
基本资料及要求
(1)桥墩及沉井尺寸如图1所示。
(2)新桥沉井中心位于既有桥沉井中心上游,间距为
30m 或50m (或推荐间距)。
(3)河床土壤粒径d 50=0109mm 。
(4)流速V =1148m/s ;2131m/s ;3101m/s ;3131m/s ;
316m/s 。其中3131m/s 为设计频率洪水时的流速。
(5)床面高程为54m ;57m ;60m 。
(6)水位为62130m ;63115m ;10m 。
(7)沉井顶面高程为6110m 。
(8)沉井下沉过程中尽量多吸取沉井内下游侧泥沙以
便造成较大的由井外向井内的翻沙现象,观测其对下游既
有桥沉井基础的影响。4
5
212 新桥沉井基础在设计条件下的局部冲刷深度
(1)设计水位为65m 。
(2)一般冲刷后主槽床面高程为5016m 。
(3)一般冲刷后墩前行近流速为3131m/s 。
3 模型设计、试验方案、仪器设备
311 系列模型比尺设计
按照常规,桥墩局部冲刷试验均在玻璃水槽内通过断面模型单墩试验确定局部冲刷深度。本项试验沉井尺寸较大(<=1412m ),且河床泥沙粒径较细d 50=0109mm ,故采用系列模型试验。按桥墩局部冲刷相关参变量推导得出的模型相似比尺关系如下
[1,2](h b )m Π(h b )p =λn h (1)
式中(h b )m 为模型局部冲刷深度,(h b )p 为原型局部冲刷深度。其中仅有(h b )p 与n 二个未知数,因此从理论上证明只需采用二个不同的模型比尺λh 1与λh 2,分别在二种比尺的模型上试验其相应的局部冲刷深度(h b )m 1与(h b )m 2,然后在双对数纸上延伸至λh =1,即可得出(h b )p 值。
根据天然桥墩及沉井的尺寸、水流与河床泥沙粒径等方面的资料,以及模型试验设备等方面的条件,确定两组模型比尺为:λh1=45;λh2=100。
鉴于天然河床泥沙粒径为0109mm ,按理采用系列模型法试验沙也应选用d 50=0109mm ,但选用d 50=0109mm 的试验沙在试验时常因泥沙粒径太细存在不同程度的板结情况而导致局部冲刷h b 值出现不稳定现象,而且有时差别较大。目前科研水平上无法明确分析泥沙板结现象对冲刷的影响程度,虽然有文献介绍泥沙粒径d 50>0105mm 时没有粘性,但从大量泥沙起动流速的试验资料分析结果来看,当泥沙粒径d 小于012mm 左右时,泥沙的起动流速不但不继续减小,反而呈不断增大的趋势,这种现象就反映了泥沙粘结力的抗冲影响。而当d 较小时,即或是在同一种粒径的情况下,泥沙的颗粒之间(特别是在河床的表层)也因含有不同的有机成分或承受不同的水压力和承压时间不同、干涸时间不同可能出现不同的板结程度,目前只能权且认为这种板结程度是随机的。为避免这种板结现象对局部冲刷深度造成的不稳定影响,试验按照起动流速相似原理选用了与d 50=0109mm 的起动流速(H =20cm 时V 0=2518cm/s )相近而粒径较粗的泥沙d 50=0136mm (起动流速H =20cm 时V 0=2619cm/s )作为试验沙,但要求模型沙粒径级配与原型相似,研究资料表明,泥沙粒径的均匀程度对桥墩局部冲刷的影响甚大[3]。312 沉井重力相似设计
本项试验要研究沉井在施工期间吸泥下沉的运动过程及其对河床冲刷的影响,所以应考虑沉井模型与原型的重力相似条件。
根据重力相似原理,在正态模型中,重力比尺λγc 与模型比尺γh 的关系为
λγc =λ3h (2)
已知天然条件下沉井的外径D p =1412m ,节高h p =4m 及6m 二种。按λh =45计算,则沉井的模型尺寸为D m =316mm ,h m =mm 及133mm 。相应的重量应为4174kg 和7109kg 。沉井的模型采用有机玻璃材料制作,相应重量仅为1177kg 和2170kg 。为保证沉井重力相似,将有机玻璃沉井模型的周壁作成夹层,以小铅块均匀加载至与设计要求相符。
313 吸泥相似设计
关于吸泥相似采用的手段通过多种方案的探讨,最后选择了模拟天然空气吸泥机的设计方案。根
据设计单位提供的资料,施工时拟采用的空气吸泥机的出流量为13～20m 3/min ,含沙浓度约为30%。
关于吸泥相似条件首先要求模型吸泥机的出流量与原型出流量相似,即
λQ =λh λL λV
(3) 由于研究的问题是泥沙的冲刷问题,所以更为重要的是出沙率(单位时间内的出沙量)相似。为此必须要求模型吸泥机与原型吸泥机的功率相似,因为功率内包含了γ的因素,它反映了出流含沙浓度。
5
5
λ
=λγλ315h(4)
P
如模型出流量及含沙浓度与原型相似,则式(4)即成立,同时也反映了吸泥机模型与原型相似。314 沉井外壁摩阻力相似
沉井外壁摩阻力模型与原型是否相似,涉及试验过程中沉井能否下沉及其下沉的速率是否与原型相似的问题。
严格说来精确计算原型沉井或模型沉井在下沉过程中的摩阻力都是相当困难的,只能做到基本相似。为使模型沉井边壁摩阻力与原型相似,有机玻璃沉井模型的配重采用增减小型铅块的方法进行调节。在天然条件下沉井的自重是按大于相应于临界摩阻力时重量的25%而设计的(f=1125)。在试验条件下则采取以下试验方案以调节摩阻力与原型相似。先取一节沉井吸泥下沉至河床床面,此时沉井周围全部承受泥沙摩阻力而不能以自重下沉,然后在沉井四周侧壁预留的凹槽内徐徐均匀加上小铅块使其达到下沉的临界状态,最后以有机玻璃沉井模型的自重与已加铅块重量之和再加25%的铅块,即为保证沉井模型摩阻力与原型相似所需的沉井模型重量。
315 判断沉井吸泥下沉对既有桥基础安全影响的试验方案
(位于首先确定在设计频率洪水条件下,既有桥沉井基础局部冲刷深度h
b值,然后在新桥桥址断面
既有桥上游30m或50m或推荐桥位)上设置沉井基础并吸泥下沉,在吸泥下沉的全部过程中,连续不断
时,地测量上下游沉井周围的冲刷深度。如果发现既有桥沉井周围出现大于原有的局部冲刷深度h
b
;如果在新桥沉井吸泥下沉过程中,即或出现翻沙现象,但既有桥沉井周围的冲刷深度始终小于原有的h b值,则可认为新桥沉井吸泥下沉对既有桥基础的安全并无影响。
此外,为确保既有桥的安全,还安排了另一种判断既有桥是否安全的试验方案。即在确定了最大局
部冲刷深度h
b值后,在进行新桥沉井吸泥下沉冲刷试验之前,预先在既有桥沉井周围高程约等于h b的床面上铺设一层比重小于110的指示沙。如果在新桥沉井吸泥下沉过程中,既有桥沉井周围出现大于
或等于h
b的冲刷深度时,预埋在沉井周围的指示沙就会飘浮至水面被冲走。如果在试验过程中未观察到,也可在试验结束后通过开挖检查预埋的指示沙是否存在来判断既有桥是否安全。这种试验方案尚可澄清在新桥沉井吸泥下沉过程中,既有桥沉井周围的泥沙可能在冲刷过程中形成前冲后淤现象的疑虑,沉井周围最低冲刷线附近的泥沙前冲后淤同样会危及桥基的安全。
316 试验设备
试验水槽宽115m,长30m(其中玻璃段长14m),高018m,桥墩模型安装及冲刷段高113m。试验流量由我院自行研制的流量自控系统控制,通过计算机调节因平水塔水头不稳定造成的流量变化。水位则由浪高仪连接计算机驱动回水截门的启闭以随时保证水位的稳定。上述水槽及流量自控系统除能保证恒定流的流量和水位的稳定以外,尚能进行流量和水位过程线变化复杂的单向非恒定流、或潮汐两向非恒定流以及涌潮水流等项试验研究。
桥墩与沉井模型用有机玻璃按1∶45及1∶100不同尺寸制作两套(均包括新桥及既有桥)。沉井吸泥装置由空气压缩机和空气吸泥机组成。局部冲刷深度与河床地形用局部冲刷测深仪测量。水流流速以直读式多功能流速仪测量。
4 资料分析与成果
411 桥墩局部冲刷深度随水流行近流速的变化规律的检验
本项试验基本上属于桥墩局部冲刷试验研究范畴,因此在探讨沉井吸泥下沉对既有桥桥基安全影响之前,首先检验沉井局部冲刷深度随行近流速的变化规律是否符合一般常规的桥墩局部冲刷试验。
图2为不同流速条件下,沉井周围局部冲刷深度随水流行近流速的增加而增大的变化趋势,它与我们以往进行的多项桥墩局部冲刷试验资料的变化趋势(S形)是一致的。国内外从事桥墩局部冲刷试验65
图2 局部冲刷深度与流速关系曲线Fig.2 Relationship between local scour depth and velocity 研究的学者甚多,但认定S 形曲线的学者为数不多。关于局部冲刷
深度h b 随流速V 的增长速率有趋近于零的趋势,虽已为国内外学者
所公认,但多数学者都将h b 不再随V 增长的极限值确定过小。甚至
有些学者认为当行近流速V 等于或略大于泥沙起动流速V 0时(本项
试验V 0=2619cm/s ),h b 即不再随V 的增大而增大
[4],此一论点显然不符合实际情况,我院以往多项试验研究均表明局部冲刷终止时的流速远大于泥沙起动流速[5-7]。
412 空气吸泥机模型与原型吸泥相似的验证
如前所述,如果模型出流量与原型出流量相似(即λQ =λ5Π2h ),而
且模型出流含沙量与原型出流含沙量相似,则表明模型吸泥与原型
相似。
根据设计资料,原型空气吸泥机的出流量为13～20m 3/min ,在沉井下沉时有二台空气吸泥机同时工
作。出流的含沙浓度为30%(体积比),即319～610m 3Πmin 。按λh =100推算,模型吸泥出流量Q m =
(130～200)×2=260～400cc/min ,吸泥出沙量应为Q m =(39～60)×
2=(78～120)cc/min 。在试验中沉井内的吸泥量也和原型一样,存在较大的变幅。沉井开始下沉时,沉井内水深较小,使空气吸泥器不能形成较大的负压,因此吸泥机的效率较小,吸出的出流量很小,其含沙浓度也很小。随着沉井的逐步下沉,沉井内的水深加大,吸泥效果也逐步加大,直至达到与原型相似的条件。试验中将两根吸泥管吸出的水沙都以标准计量盒(20cm ×20cm 有机玻璃方盒)集接,检算单位时间内的出流量和出沙量。现以一次采样资料为例:取样时间为11分钟,计量盒内水沙共高13cm ,则出流量Q m =20cm ×20cm ×13cm/11min =473cc/min 。其中泥沙含量高3175cm ,则出沙量Q m =20cm ×20cm ×3175cm/11min =136cc/min 。含沙浓度为29%(体积比),与原型相似。
413 沉井吸泥对下游既有桥安全影响的试验
41311 按既有桥出现的局部冲刷深度h b 值判断桥基安全的试验
根据试验要求,共安排了5组不同水流条件下的沉井吸泥对既有桥基础安全影响的试验,天然水深H =410～9115m ;流速V =0195～3160m/s 。
试验资料表明,在线间距为30m 和各种不同施工水流条件下,虽然新桥沉井吸泥下沉形成不同程度的翻沙现象,且新桥沉井局部冲刷坑下游侧的边坑,与既有桥沉井局部冲刷坑上游侧的边坑相互有所影响。但这种边坑的影响对最大局部冲刷深度值h b 影响不大,在上下游沉井最大局部冲刷深度之间存在一条明显的沙脊。沙脊的存在就表明新桥沉井吸泥对下游桥沉井的最大冲刷深度影响不大。另一方面从桥墩局部冲刷的形成与发展的机理来分析,众所周知,桥墩局部冲刷坑边坡由二部分组成:近墩附近的边坡为水流遇墩受阻后形成的向下漩涡淘刷所致,此部分的水体即使在局部冲刷深度达到最大值后,仍然继续形成挟沙漩涡水流,但处于动平衡状态。冲刷的外侧部分则为泥沙向内侧塌落所致。近墩部分的坡度较陡,外侧部分坡度较缓(等于河床泥沙在水下的休止角),两者有明显的交界线。由此可以判断,影响桥墩(或沉井)局部冲刷深度主要是墩周的漩涡水流。局部冲刷坑外侧的边坡受到局部破坏,对最大局部冲刷深度h b 值影响甚微。
41312 通过预埋指示沙检验既有桥安全的试验
如前所述,在确定了既有桥在设计洪水频率条件下的最大局部冲刷深度h b 值后,将既有桥沉井周围的泥沙挖至高程为019h b 的床面(预留h b 值的10%以策安全),在此床面的沉井周围,主要是上游侧铺设比重小于110的白色泡沫塑料颗粒作为指示沙。为便于冲刷后开挖检验,在沉井周围上游前半部按放射性形状均匀铺设指示沙。然后再轻轻回填试验沙至冲刷前的床面高程进行沉井吸泥下沉冲刷试验。在试验过程中,如果既有桥沉井周围出现019h b 的冲刷值时,白色泡沫塑料颗粒必然会飘浮至水面,此时既有桥的安全就会受到威胁。可是在试验过程中,并未发现有泡沫塑料颗粒飘出水面。试验结束后重新开挖既有桥沉井周围的泥沙至019h b 高程的床面,发现指示沙仍在原有布设的位置上无一缺
7
5
少。表明沉井周围019h b 高程处的泥沙未被冲动也未下沉或发生泥沙交换现象,因此可以判断沉井吸泥下沉对既有桥安全无影响。
41313 线间距对沉井周围冲刷影响的试验
根据研究内容,首先安排了间距为30m 的试验。试验资料表明,当线间距为30m 时,新桥沉井吸泥下沉对既有桥的安全并无影响。因此可以推论间距为50m 时,既有桥的安全也不会受新桥施工的影响。为了探讨线间距小于30m 时对既有桥安全的影响,安排了一组线间距为20m 的沉井吸泥下沉冲刷试验。试验也同样从最大局部冲刷h b 值和沉井周围埋设指示沙来判断既有桥的安全问题。试验资料表明,当线间距为20m 时,既有桥沉井的最大局部冲刷深度已接近原有的h b 值,上下游沉井之间已不存在沙脊,说明已影响既有桥的局部冲刷。另外,根据沉井周围预埋的指示沙来看,在试验过程中有大量白色泡沫塑料指示沙飘浮至水面被冲走。试验结束后开挖检查发现所有指示沙已全部被冲走。根据以上两方面的判断可以认为当线间距为20m 时,新建沉井吸泥下沉施工将影响既有桥的安全。此一试验结果也可从另一侧面证实了线间距为30m 时对既有桥安全无影响的可信性。至于20m 与30m 之间的线间距因差值太小没必要再进行最佳间距的补充试验。因此从水工试验结果来看可以认为线间距为30m 是适合的。
41314 沉井自重对冲刷影响的试验
沉井模型是以有机玻璃制作,以小铅块调节沉井的自重。为慎重探讨沉井模型重量对既有桥安全的影响。先后共进行了以下三种不同沉井自重的条件下,沉井吸泥下沉对既有桥安全影响的试验:
a.沉井自重按模型与原型重力相似条件调整。
b.沉井自重按模型与原型摩阻力相似条件调整。
c.沉井不以铅块配重。其中c 组沉井最轻,安排c 组试验的目的主要是探讨在最不利的条件下,当沉井自重最轻下沉较慢,在吸泥下沉过程中,形成较大的翻沙现象对既有桥安全的影响。以上三组试验都是在线间距为30m 的相同条件下进行的。试验结果表明,在线间距为30m 的条件下,三种不同自重的沉井在吸泥下沉的过程中都对既有桥的安全没有影响。
414 沉井永久性冲刷
所谓沉井永久性冲刷即在设计洪水频率的水流条件下,沉井周围的最大局部冲刷深度h b 值。进行此项试验的前提是新桥已经建成,与既有桥共同承受设计洪水的冲刷作用。
如前所述,试验采用系列模型法确定局部冲刷深度h b 值。模型比尺选用1∶45及1∶100两组。据设计资料:设计水位H p =65m ,沉井顶面高程为61m ,一般冲刷后主槽床面高程为5016m ,水深为1414m ,流速为3101及3131m/s 。由此推算及试验的模型数据如表1所示。
表1 不同流速下的局部冲刷深度
T able 1 Local scour depth for different velocity
λh
H m Πcm V m Πcm ・s -1(h b )m Πcm 100141433111111
30111014
45201349132613
4419
2418图3 系列模型试验结果
Fig.3 M odel test results
按照系列模型法将对应于λh 为100和45的h b 值点绘于双对数纸上(如图3所示),将其延伸至λh =1时(考虑到图形比例,图3中未延长至λh =1)求得相应于原型设计流速3131m/s 时的局部冲刷深度(h b )P 为16m (定线时参照了流速310lm/s 时的试验资料)。也可按以下方法推算(h b )P 值
由表1和图3可推算出n =1108,则
(h b )P =(h b )m λn h =0.263×(45)
1108=16148m (5)
85
(h
b )
P
=0.111×(100)1.08=16.04(6)
以上计算结果与按图3系列延伸的数值是一致的。
5 结论
(1)试验验证了桥墩局部冲刷深度h
b与流速V之间的变化规律为S形单值函数关系,且与最大局部冲刷值对应的流速大于泥沙起动流速。
(2)模型相似设计考虑了几何比尺相似、水流重力相似、泥沙起动相似、空气吸泥机功率相似(沉井吸泥出流量相似及含沙浓度相似)、沉井自重重力相似、沉井外壁摩阻力相似等方面的相似准则,并在试验方案和方法上采取了一些有效措施,从而保证了沉井吸泥下沉冲刷试验模型与原型相似。
(3)通过在施工期间的水流条件作用下,对沉井吸泥下沉时局部冲刷深度h b值的判断、在既有桥沉井周围铺设指示沙的判断、不同线间距对既有桥安全影响的试验、不同沉井自重吸泥下沉对既有桥安全的影响等方面的试验资料表明:当新桥位于既有桥上游30m时,在施工期间沉井吸泥下沉对既有桥的安全无不利影响,当线间距为20m时沉井吸泥下沉将危及既有桥安全。
(4)新桥沉井基础在设计条件下的最大局部冲刷深度为16m(未考虑黄河上集中冲刷深度较大局部冲刷深度应有所减小的因素)。当新桥与既有桥线间距为30m且水流正交时,既有桥的局部冲刷深度约为未建新桥时的局部冲刷深度的0185左右。因此,可以认为在设计洪水频率的水流条件下,当新桥为与既有桥30m时对既有桥的安全并无影响。
参考文献:
[1]谢鉴衡主编.河流模拟[M].北京:水利电力出版社,1986.
[2]铁道科学研究院铁道建筑研究所1缅甸仰光-丁茵大桥潮汐冲刷试验研究[R].1987.12.
[3]铁道科学研究院铁道建筑研究所.桥墩局部冲刷计算研究[R].2000.12.
[4]H1N1Breusers,G1Nicollet,H1W1Shen,Local Scour Around Cylindrical Piers,Journal of Hydraulic Research,15(1977)N o131
[5]铁道科学研究院铁道建筑研究所.第二钱塘江涌潮压力及桥墩局部冲刷试验研究[R].1990.6.
[6]铁道科学研究院铁道建筑研究所.长东黄河桥桥墩局部冲刷试验研究[R].19.4.
[7]铁道科学研究院铁道建筑研究所.架空送电路杆塔基础局部冲刷水工模型试验研究[R].1994.12.
Experimental study on the scour of air suck out sediment caused
by bridge pier and open caisson subside
ZH ANG Bai-zhan,LI N G ui-bin,DAI R ong-rao
(China Academy o f Railway Sciences)
Abstract:The experiment is used to determine whether to endanger the security of the nearby and existed bridges with the subsidence of the open caiss on during the construction of the second Changdong bridge crossing the Y ellow River and the local scour depth of the new bridge in the condition of design flood discharge.T o investigate the similar method of the subsidence of the open caiss on caused by air suck out sediment and local scour around,the m odel test should meet not only the comm on similarity criterions of local scour,but als o s ome other similar criterions such as gravity similarity,suck out sediment similarity(sediment discharge)and friction similarity outside of the open caiss on.Als o s ome test schemes and discrimination methods that are used to dem onstrate the security of the nearby and existed bridges due to the gradual subsidence of the open caiss on are studied.
K ey w ords:scour experiment;bridge pier and open caiss on;suck sediment subsidence
95下载本文
