多個(gè)環(huán)翼式橋墩沖刷影響研究

任致賢,牟獻(xiàn)友,柏　濤,洪龍生,吳金峰

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木建筑工程學(xué)院,內(nèi)蒙古呼和浩特010018)

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多個(gè)環(huán)翼式橋墩沖刷影響研究

任致賢,牟獻(xiàn)友,柏濤,洪龍生,吳金峰

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木建筑工程學(xué)院,內(nèi)蒙古呼和浩特010018)

摘要：為研究多個(gè)環(huán)翼式橋墩間的局部沖刷影響,利用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì),考慮2個(gè)試驗(yàn)指標(biāo)(墩前近底垂向流速、最大沖坑深度),選擇3個(gè)有關(guān)因素(防沖板半徑A、防沖板安裝高度H和橋墩橫向間距S)進(jìn)行條件試驗(yàn),對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差和方差分析,確定3個(gè)因素的主次關(guān)系。結(jié)果表明,主次關(guān)系的排列為防沖板的安裝高度、防沖板半徑、橋墩橫向間距,且防沖板的安裝高度和防沖板的半徑對(duì)防沖效果的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于橋墩橫向間距。

關(guān)鍵詞：多個(gè)環(huán)翼式橋墩；正交試驗(yàn)；影響因素；主次關(guān)系

0引言

橋梁發(fā)生水毀的主要原因之一是橋墩沖刷[1]。河道中橋墩的沖刷分為自然演變沖刷、一般沖刷和局部沖刷[2]。橋墩局部如果發(fā)生嚴(yán)重的沖刷,橋墩周圍會(huì)產(chǎn)生很大的沖刷坑從而嚴(yán)重威脅橋梁安全[3- 4]。河道中的行進(jìn)水流碰到橋墩后,橋墩周圍水流特性發(fā)生強(qiáng)烈變化,形成下潛水流和馬蹄形漩渦,逐漸傳播和發(fā)展到下游,水流在劇烈紊動(dòng)的同時(shí)形成河床面切應(yīng)力,導(dǎo)致局部沖刷坑的形成[5]。橋墩的防沖刷措施有很多種,一般方法是被動(dòng)阻止局部沖刷,但安裝有環(huán)翼式防沖板的橋墩可以主動(dòng)且有效地阻擋下潛水流,將下潛水流向橋墩兩邊分流,從而減小了橋墩下部的沖刷[6]。張萬(wàn)峰等[7]經(jīng)過初步研究發(fā)現(xiàn),防沖板可有效減少橋墩局部沖刷；白佳樂等[8]研究了環(huán)翼式防沖板安裝位置對(duì)橋墩局部沖刷的影響。以上研究都是以單個(gè)橋墩為研究對(duì)象進(jìn)行局部沖刷研究。

本文在物理模型試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了正交試驗(yàn)方案,研究不同流量和水深下,以墩前近底垂向流速和最大沖坑深度為2個(gè)試驗(yàn)指標(biāo),探究防沖板半徑A、防沖板安裝高度H和橋墩橫向間距S這3個(gè)控制因素的主次關(guān)系,從而得出較為合理的橋墩及防沖板布置形式。

1模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1試驗(yàn)設(shè)備及儀器

試驗(yàn)儀器和裝置主要包括獨(dú)立供水循環(huán)系統(tǒng)、Vectrino+聲學(xué)多普勒點(diǎn)式三維測(cè)速系統(tǒng)、流量計(jì)和橋墩等。試驗(yàn)水槽為矩形斷面有機(jī)玻璃水槽,水槽長(zhǎng)2 000cm、寬50cm、高90cm,底部坡降比為1/800。水槽上游進(jìn)水口末端設(shè)有消能裝置,以確保水流平穩(wěn)均勻地進(jìn)入試驗(yàn)段。水槽下游段設(shè)有尾門,以控制水槽內(nèi)水深。水槽中部為500cm試驗(yàn)段,橋墩模型布置于試驗(yàn)段中間。試驗(yàn)段鋪設(shè)厚200mm、平均粒徑為0.55mm的泥沙。橋墩和環(huán)翼式防沖板模型均由PVC材料制作,橋墩為半徑r=20mm的圓管,防沖板為半徑為R的半圓環(huán)。在試驗(yàn)段橫向布置2個(gè)相同的橋墩。試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵妶D1。

每次試驗(yàn)前先把試驗(yàn)段床沙表面抹平,并在來(lái)水流量較小的情況下放水浸泡床沙,試驗(yàn)開始時(shí)逐步增大流量,使流量和水深滿足設(shè)計(jì)工況,直至沖刷坑形態(tài)穩(wěn)定且不發(fā)生變化。每次沖刷時(shí)間不小于2h，并使用Vectrino+測(cè)速系統(tǒng)量測(cè)并記錄水流中所需測(cè)點(diǎn)的三維流速。

圖1　試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

1.2控制因素及試驗(yàn)指標(biāo)

本次沖刷試驗(yàn)采用3種流量和相應(yīng)的水深,設(shè)定的流量分別為Q1=80m3/h、Q2=100m3/h、Q3=120m3/h,對(duì)應(yīng)的水深分別為h1=110mm、h2=130mm、h3=150mm。選用防沖板半徑A和安裝位置H、2個(gè)橋墩橫向間距S這3個(gè)控制因素對(duì)防沖效果的影響?？刂埔蛩丶跋鄳?yīng)水平見表1。

表1控制因素及相應(yīng)水平

水平控制因素防沖板半徑A安裝高度H橋墩橫向間距S11.6r0.2h6r22.0r0.3h10r32.2r0.4h14r

注：表中r為橋墩半徑；h為水深。

本次試驗(yàn)中,選用2個(gè)試驗(yàn)指標(biāo)(墩前近底垂向流速、最大沖坑深度)分析3個(gè)因素(A、H、S)的影響。墩前近底垂向流速的變化可以反映防沖板對(duì)墩前下潛水流的影響,墩前近底垂向流速越小,下潛水流的減弱作用越大,從而起到更好的防沖作用。最大沖坑深度為沖刷過程中沖坑內(nèi)的泥沙補(bǔ)給率和輸出率達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí),沖刷坑深度的最大值。

2控制因素及試驗(yàn)指標(biāo)分析

2.1正交試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)在每種流量與對(duì)應(yīng)水深的條件下,均使用L9(34)正交表進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)。每種工況條件下進(jìn)行3次試驗(yàn),測(cè)定墩前近底垂向流速和最大沖坑深度,將3次測(cè)定的數(shù)據(jù)的平均值記為試驗(yàn)結(jié)果。正交試驗(yàn)方案見表2。本文以Q3=120m3/h、h3=150mm為例分析3個(gè)因素的主次關(guān)系。

表2正交試驗(yàn)方案

工況因素水平1(A)2(H)3(S)墩前近底垂向流速/cm·s-1最大沖坑深度/cm11116.34.021227.95.931338.57.242317.65.752125.43.162236.84.773216.14.183327.54.993135.33.3

2.2控制因素極差分析

極差分析法[9]是通過對(duì)每個(gè)因素的平均極差來(lái)分析問題,極差即為平均效果中最大值和最小值的差。各列極差的數(shù)值從小到大的排列,就是各列對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響從小到大的排列。極差的數(shù)值越大,該因素就越重要。由此便可找到影響指標(biāo)的主要因素,并找到最佳因素水平組合。極差可表示為

式中,R為極差；Kki同一因素下的最大沖坑深度；Kkj同一因素下的墩前近底垂向流速；K為各因素的3個(gè)水平。

極差分析結(jié)果見表3。3個(gè)有關(guān)因素(A、H、S)對(duì)2個(gè)試驗(yàn)指標(biāo)(墩前近底垂向流速、最大沖坑深度)的影響程度和規(guī)律見圖2。從表3和圖2可知：

(1)防沖板半徑A越大,墩前近底垂向流速和最大沖坑深度越小。防沖板半徑A=2.2r時(shí),防沖板的防沖刷作用最佳；A=2.0r和A=2.2r時(shí),防護(hù)效果相差無(wú)幾。防沖板安裝高度H越低,墩前近底垂向流速和最大沖坑深度越小。H=0.2h時(shí),防沖板的防沖刷作用最佳。橋墩橫向間距S越小,防沖刷作用越佳。S=6r時(shí),墩前近底垂向流速和最大沖坑深度越小。

(2)墩前近底垂向流速做指標(biāo)時(shí),各因素波動(dòng)程度的大小依次為H>A>S,且H因素的波動(dòng)程度最大,是主要影響因素,其次為A和S,這與表3中極差RH>RA>RS相同；最大沖坑深度做指標(biāo)時(shí),H因素波動(dòng)程度最大且略大于A,H是主要影響因素,其次為A和S,與表3中極差RH>RA>RS相同。綜合考慮2個(gè)試驗(yàn)指標(biāo),3個(gè)因素的重要性從大到小的排列為：防沖板安裝高度H>防沖板半徑A>橋墩橫向間距S。

圖2　2個(gè)試驗(yàn)指標(biāo)和3個(gè)影響因素的關(guān)系

(3)表3中RH和RA遠(yuǎn)大于RS,說(shuō)明H因素和A因素的重要性比S因素更為顯著,即防沖板的安裝高度和防沖板半徑對(duì)防沖效果的影響作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于橋墩橫向間距。

表3極差分析

指標(biāo)項(xiàng)目因素水平1(A)2(H)3(S)墩前近底垂向流速Ki17.65.76.7Ki26.66.96.9Ki36.37.96.9R1.32.20.2最大沖坑深度Kj15.73.54.6Kj24.54.94.4Kj34.15.95.1R1.62.40.7

2.3控制因素方差分析

根據(jù)表2中的試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)2個(gè)試驗(yàn)指標(biāo)做方差分析,分析結(jié)果見表4。3個(gè)因素對(duì)應(yīng)的顯著性效果見圖3。由表4和圖3可知：

表4方差分析

指標(biāo)墩前近底垂向流速AHS最大沖坑深度AHS平方和2.737.290.091.361.220.29自由度222222均方和1.3653.6450.0450.6800.6100.145方差F41.4110.51.432.429.06.9

圖3　3個(gè)影響因素的顯著性趨勢(shì)

(1)以墩前近底垂向流速為指標(biāo),F0.05(2,2)=19

(2)以最大沖坑深度為指標(biāo),F0.05(2,2)=19

綜上可知,3個(gè)因素的影響程度從大到小的排列為：防沖板安裝高度H>防沖板半徑A>橋墩橫向間距S,與極差分析結(jié)果基本相同。

4結(jié)語(yǔ)

以墩前近底垂向流速和最大沖坑深度為試驗(yàn)指標(biāo),設(shè)計(jì)了正交試驗(yàn),并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差和方差分析,得出較為一致的結(jié)論,即3個(gè)有關(guān)因素(防沖板半徑A、防沖板安裝高度H和橋墩橫向間距S)的主次關(guān)系為H>A>S。在橫向布置多個(gè)環(huán)翼式橋墩時(shí),不但要考慮環(huán)翼式防沖板的安裝高度和半徑對(duì)防沖效果的影響,還要考慮橋墩橫向間距對(duì)防沖效果的影響。防沖板的安裝高度和防沖板半徑對(duì)防沖效果的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于橋墩橫向間距。

因試驗(yàn)條件的局限性,本次試驗(yàn)并沒有考慮防沖板對(duì)橋墩整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響,今后可通過數(shù)值模擬進(jìn)一步探究。

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(責(zé)任編輯楊健)

收稿日期：2015- 12- 23

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51369022),內(nèi)蒙古自治區(qū)自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2013MS0719)

作者簡(jiǎn)介：任致賢(1990—),男,內(nèi)蒙古巴彥淖爾人,碩士研究生,研究方向?yàn)樗そㄖ锬Ｐ驮囼?yàn)；牟獻(xiàn)友(通訊作者)．

中圖分類號(hào)：U446.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：0559- 9342(2016)04- 0105- 04

ResearchesofScouringEffectbetweenMultipleRing-wingPiers

RENZhixian,MOUXianyou,BAITao,HONGLongsheng,WUJinfeng

(CollegeofWaterConservancyandCivilEngineering,InnerMongoliaAgriculturalUniversity,Hohhot010018,InnerMongolia,China)

Abstract:In order to study the local scour around ring-wing piers, the orthogonal experiment is designed by considering with two test indicators (the vertical flow velocity near the end of pier and the maximum scour depth) and selecting three relevant factors (radius of baffle plate-A, mounting height of baffle plate-H and lateral spacing of piers-S). By range analysis and variance analysis of test results, the primary and secondary influencing factors are determined respectively. The results show that the importance order of three factors on local scour is mounting height of baffle plate, radius of baffle plate and lateral spacing of piers, and the influences of mounting height and radius of baffle plate on scour effect are far greater than the lateral spacing of piers．

Key Words:multiple ring wing pier; orthogonal experiment; influencing factor; primary and secondary relationship