抛石法在桥墩冲刷防护工程中的应用研究涂向阳.pdf

第 2期2010年 2月广东水利水电
,
:
&
3
,
)
4
3
,

)
7
4
5
4
0.5
R
R时,近似取
P
X
R=
I50,当
I50 <0.5
R
R时取
P
X
R≈0.5
R
R;
[
R为模型流速;
M
R为模型水深;
(
T
R为模型的谢才系数除以
L之商,为无因次谢才系数,即利用曼宁公式可确定此无因次谢才系数
(0 =1
L1
S
-16 (2)根据张有龄计算公式把
(0可表达为:
(0 =6.75(
-/■)16 (3)通过各相关物理量模型缩尺之间的关系,可推导出模型水流处于阻力平方区的条件为:λ
-≤(
[
U
P
X
U/60
(
T
U
[
R)15 λ
1710 (4)将骝岗涌特大桥模型试验相关参数代入上述公式,计算得到λ
-≤30.5,本垂直比尺采用λ
-=25,能满足模型水流处于阻力平方区的要求工程附近原型河道河床糙率为 0.020 ～ 0.022,模型河床糙率应定为 0.017～ 0.018,通过对模型河床局部进行加糙较容易达到阻力相似3)模型沙的选择工程所在河段河床为细沙,河床泥沙主要以推移质运动为主为研究新建桥墩引起的河床冲淤和桥址处泥沙淘刷问题,模型需进行底沙冲刷动床试验。

依据泥沙起动流速比尺相似条件α
[=α
[
P,采用窦国仁建议的临界起动流速公式为:
[
P=
R(
Q
S11
-
P
X) γ
X-γγ
L
I+0.19ε
P+
L
Mδ
I(5)式中　ε
P为粘结力参数;δ为薄膜水参数;
P
X为河床面粗糙度;γ
X为泥沙容重;γ水容重;
L为重力加速度;
I为泥沙颗粒中值粒径;
R为起动流速系数;
-为断面水深对骝岗河段河床床沙进行颗粒分析,床沙的中值粒径为
I50 =0.13 ～ 0.17
R
R,干容重γ
X
R=1.24
L/
H
R3,容重γ
X=2.65
L/
H
R3原型河道在 100年一遇设计流量(
6=591
R3/
X)条件下,研究区域范围内河道断面平均最大垂线水深为7.15
R,求得原型沙在4.80 ～ 7.15
R范围内水深下起动流速约为
;
P=0.50 ～ 0.60
R/
X,按起动流速相似准则要求,模型沙的起动流速应为 10.0 ～12.0
H
R/
X试验选用粒径范围为 0.20～ 0.80
R
R、中值粒径为
I50 =0.25 ～ 0.30
R
R的煤粉作为床沙,其干容重约为γ
X
R=0.70
L/
H
R3,容重为γ
X=1.35～1.45
L/
H
R3,该模型沙的起动流速为 10.3～11.4
H
R/
X。

经配置的模型沙级配曲线与原型沙对比见图 2,两条曲线基本保持平行模型泥沙的起动流速比尺λ
[
P=4.90,干容重比尺 λ
W
T=1.72图 2　泥沙颗粒分析曲线及模型沙选配曲线4)护底块石的选择模型须对护底块石进行模拟,以论证工程附近河段护底块石的稳定性,根据现场查勘,工程附近河段护底块石粒径一般在 25～ 50
H
R(重约 20 ～180
P
L)范围,模拟卵石推移质首先必须满足起动相似条件,即要求:λ
[
H=λ
[按张瑞瑾[ 3]散粒体泥沙的起动流速公式,
[
H=1.34 ((γ
X-γ)/γ)
L
)(
M/
))1/7,考虑重力相似条件,可导出λ
)=λ
M/λ1/5(γ
X-γ)/γ若采用天然沙作为模型沙,可得出 λ
)=λ
M在选用天然沙作模型沙条件下,模拟护底块石的粒径比尺应等于垂直比尺,因此模型选用10～20
R
R的碎石模拟护底块石,基本能满足试验要求,物理模型试验比尺汇总见表 1表 1　模型比尺统计相似律 几何相似 水流运动相似比尺名称平面比尺垂直比尺流速比尺糙率比尺水流时间比尺流量比尺符号 λ1 λ
Mλ
[λ
Sλ
Yλ
6数值 50 25 5 1.209 10 6 250相似律 泥沙运动相似比尺名称起动流速比尺泥沙颗粒容重比尺干容重比尺中值粒径比尺输沙率比尺冲淤时间比尺符号 λ
[λ
W
Xλ
W0 λ
Iλ
Uλ
Y2数值 4.9 1.89 1.72 0.56 52 48·2·2010年 2月　第 2期 涂向阳,等:抛石法在桥墩冲刷防护工程中的应用研究
3
T.2　
+
J
G.20103.2　模型验证模型验证试验采用 4种典型洪水落急时刻的水动力条件,修正并调整河道局部河床糙率,物模实测值与数模计算差值的绝对值均不超过 2
H
R,确保了物模与数模采用的地形资料和水动力边界的一致性和准确性。

表 2　物模试验典型水文条件研究工况 设计流量 98.6洪水 99.7中水 2001.2枯水流量值/(
R3·
X-1) 591 441 333 1584　清水定床模型试验桥址附近河道下行线桥墩上游 30
R～下游 60
R范围内的流速、流态受桥墩影响较为显著工程所在断面流速将增大,桥墩与河岸之间流速略微增加,桥墩上下游流速有所减小;靠近 23号桥墩河槽中心侧流速变化最为明显, “设计流量”条件下,流速由工程前的1.20
R/
X增加至 1.52
R/
X;各种水文条件下洪水位壅高及影响范围均较小;受新建桥墩的分流和阻水作用,水流紊动较强,挟沙能力增大,将可能会引起桥墩附近河床冲刷加剧工程后桥址附近水流流态见图 3
F)左岸 23号墩(
G)右岸 24号墩图 3　工程后桥址附近局部水流流态(设计流量
6=591
R3/
X)5　动床试验结果分析开展动床冲刷试验,针对桥墩附近河床冲刷和堤脚淘刷的情况,探讨工程建设对堤防、护岸安全的影响,并通过试验优选防护措施以减小工程建设的不利影响5.1　模型范围为准确模拟由于骝岗特大桥修建而引起的河床冲淤形态的变化和河势变化,论证堤脚冲刷、桥墩稳定等问题,试验将尽可能的扩大动床范围。

动床模拟范围包括:拟建公路桥右幅 23号墩中心上游 290
R处断面以下、拟建公路桥右幅 23号墩中心下游 465
R处断面以上的河道,长度约 755
R5.2　工程附近河床冲淤变化与分析在设计流量条件下,工程后连续冲刷 2
M(模型值)后形成的河床冲淤形态见图 4与工程建设前相比,连续冲刷 0.5
M、1.5
M和 2
M后,上游右幅桥梁桥址断面最大冲刷位置出现在距离 23号墩中心河道主槽一侧10.2
R、11.0和 12.0
R处,最大冲刷深度分别为2.19
R、2.64
R和 2.78
R,下游左幅桥梁桥址断面最大冲刷位置出现在距离 23号墩中心位置河道主槽一侧 10.5
R、11.0和 11.0
R处,最大冲刷深度分别为 1.35
R、1.75
R和 1.85
R,连续冲刷 2
M后河道已基本达到极限冲刷状态各特征流量条件下,工程后桥墩间河床特征流速测点较工程前增加了 0.08～0.20
R/
X,流速值介于 0.56～1.38
R/
X,水流流速大于床沙起动流速是造成桥址断面冲刷的原因图 4　工程后整体冲刷形态(模型冲 2.0
M,设计流量)5.3　工程防护措施试验及分析骝岗涌特大桥线路 23号、24号桥墩引起的冲刷坑离河堤较近,将威胁河堤和桥墩安全。

模型测得 23号墩附近工程后最大流速为 1.52
R/
X,故要求护底块石的抗冲流速达到 1.52
R/
X根据依兹巴什散粒体抗冲流速[ 4]公式
;=
P
),
P=4～6,算得护底块石的粒径
)要大于 14.4
H
R可见,原型采用原型粒径为 30 ～50
H
R、重量约为 40～180
P
L的护底块石即可满足要求,模型试·3·2010年 2月　第 2期 广东水利水电
3
T.2　
+
J
G.2010验时选用 12～20
R
R的碎石模拟护底块石对河段堤脚以下至冲刷坑外缘线的河床进行抛石护底桥址轴线上的 23号、24号墩抛石防护区域见图 5图 5　抛石后整体冲刷形态(模型冲 2
M,设计流量)根据《中国堤防工程施工丛书 3———抛石篇》[1]和《堤防工程设计规范》
,
'50286 -98的规定,抛石厚度应不小于抛石块体平面直径
)的 2倍,水深流急处宜为 3～ 4倍,一般厚度可为 0.6 ～1.0
R,重要堤段宜为0.8～1.0
R根据工程实践经验,考虑到施工中块石分布的不均匀性,在水深流急的部位,抛石厚度大多控制在 0.8～ 1.2
R的范围内,如果将岸坡分为上、中、下 3段,其各段抛石厚度分别为 2
)、3
)和 2.5
)较为合适。

新建桥墩靠近河道岸坡,设计流量条件下,工程前后最大流速分别为 1.30
R/
X和 1.60
R/
X,桥墩附近河道最大水深均小于 6.0
R,建议采用的护底材料为直径 30 ～50
H
R(重约 40～180
P
L)的块石,推荐的抛石厚度为 2
)根据试验量测的冲刷坑范围和深度,建议采取抛石护底防护的范围位于 23号、24号墩上下游区域以及桥墩与堤脚之间的区域:沿河道纵向自左岸下行线 23号桥墩中心上游25
R处至上行线23号桥墩中心下游 30
R处,沿河道横向自左岸堤脚处至桥墩中心主槽一侧,抛石范围总长度为 80
R,宽度为 30
R;沿河道纵向自右岸下行线 24号墩中心上游 20
R处至上行线 24号桥墩中心下游 30
R处,沿河道横向自右岸堤脚处至桥墩中心主槽一侧,抛石范围长度为 70
R,宽度为 25
R抛石护底区域呈“上游和桥墩附近较宽,下游较窄”的梭形特征设计流量条件下,抛石防护措施实施后冲刷 2
M后的河床冲刷形态见图 5,桥址断面采取抛石措施前后地形冲淤形态见图 6,抛石防护后,可有效控制桥墩附近及下游区域的河床冲刷,说明选用的防护措施和范围合理、有效图 6　抛石措施前后桥址断面地形冲淤形态(右岸为起始点)6　结语1)桥梁工程建成后,桥墩与河岸之间、桥墩附近流速将有所增加,水流紊动加强,挟沙能力增大,桥墩附近和河岸堤脚处将可能会产生局部不利淘刷,动床冲刷试验表明,工程建成后桥墩最大冲刷坑靠近桥墩承台,且冲刷坑距离河道左、右岸河堤脚较近,需采取必要的工程措施进行防护。

2)对工程所在河段防洪堤堤脚至冲刷坑外缘线以内范围进行抛石护底,抛石防护范围应稍大于河床冲刷坑范围,采用的护底材料为直径介于 30 ～50
H
R(重约40～ 180
P
L)的块石,推荐的抛石厚度为 2
)(0.6 ～1.0
R)研究结果表明:采用抛石护底防护后,可有效控制桥墩附近的河床冲刷3)抛石法是堤岸治理和桥墩防护工程中广泛采用的工程措施,开展动床模型试验优选抛填材料和抛石范围是行之有效的技术手段参考文献:[ 1]　陶亦寿,谭界雄,董建军,等.中国堤防工程施工丛书3———抛石法[
2].北京:中国水利水电出版社, 2006.[ 2]　臧群群,邓远新.浅谈北江水下抛石护岸施工组织与质量控制措施[
/].广东水利水电, 2009,(8):67-69.[ 3]　张瑞瑾.河流泥沙动力学[
2].北京:中国水利电力出版社, 1998.[ 4]　中国水利学会泥沙专业委员会.泥沙手册[
2].北京:中国环境科学出版社, 1992.(本文责任编辑　罗睿)·4·2010年 2月　第 2期 涂向阳,等:抛石法在桥墩冲刷防护工程中的应用研究
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