多级圆柱桥墩局部冲刷试验研究

论文摘要

桥墩局部冲刷深度是桥渡设计的重要依据之一,研究方便适用的桥墩局部冲刷计算方法,对提高桥渡设计可靠性、保障道路既有线安全运营及新线建设均具有重要的现实意义。考虑到正交桥渡的冲刷计算公式已经成熟,山区斜交桥渡的冲刷计算由于其特殊的地域特点,是当前研究的重点和难点。国内外许多学者和科技工作者进行了大量桥墩冲刷室内模型试验、野外观测和数值计算的研究,提出了诸多冲刷深度计算的经验公式和半经验半理论公式。但由于桥墩冲刷现象十分复杂,影响因素众多,至今人们对冲刷的机理认识和在理论上的研究还很有限,仍需继续进行这方面的研究。为研究山区高等级公路顺水桥梁多级冲刷对桥梁安全性的影响,总结出一套切合实际的顺水桥梁不同墩位布置的冲刷计算方法,为设计提供参考。本文系统总结归纳了多年来桥墩冲刷研究的成果,在单墩圆柱绕流试验研究的基础上制定了4种双排顺水群桩桥位方案,在不同水流条件下对桥墩局部冲刷进行试验研究。试验采用超声波流速仪对矩形水槽中圆柱桥墩绕流流速进行了测量,得出桥墩绕流纵向、横向和垂向的三维时均流速。通过绘制平面二维时均流速场分布图,汇总圆柱绕流流场中的横向时均流速,分析典型断面垂向流速的变化规律,从而确立了圆柱绕流流态与圆柱桥墩周围冲刷的关系问题。在此基础上,本文重点以天然沙河床组成的桥墩冲刷为原型,通过双排顺水群桩墩冲刷的水槽试验来研究墩周水流运动和泥沙运动的特点。试验通过IH型光纤式液体界面测定仪测定不同桥位下墩前局部冲刷深度随时间的变化规律,得出了各桥位下迎水面前排桥墩墩前冲深随冲刷时间变化的函数关系式。同时试验还得到双排群桩墩在不同水流条件下后排墩最大冲深与前排迎流墩的最大冲深有很强的相关关系。并推导出了墩轴线与水流方向成90度桥位下前后排最大冲深的相关关系式。为工程设计提供了科学依据。最后,本文结合理论分析和模型试验观测资料,运用能量平衡理论和量纲分析的方法进行了新的理论公式的推导,经过实测数据确定参数后得出了适用于具体桥位布置下的新的桥墩局部冲刷公式。并用已有的冲刷公式65-2修正公式对新公式进行了验证。得出的结论对于桥渡设计特别是山区性河流双排顺水桥位的设计具有重要的实用价值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 桥墩简介
• 1.2 桥墩模型试验分类
• 1.3 桥墩冲刷的概念和研究意义
• 1.3.1 桥墩冲刷的概念
• 1.3.2 研究的目的与意义
• 1.4 论文的研究方法和研究内容
• 1.4.1 研究方法
• 1.4.2 研究内容
• 第二章 桥墩冲刷的研究现状
• 2.1 桥墩冲刷的特性和机理
• 2.1.1 桥墩绕流冲刷的特征
• 2.1.2 桥墩绕流冲刷的机理
• 2.2 桥墩冲刷模型试验研究现状
• 2.2.1 推移质动床桥墩模型试验研究现状
• 2.2.2 悬移质泥沙桥墩模型试验研究现状
• 2.3 桥墩冲刷深度计算研究现状
• 2.3.1 桥墩一般冲刷深度计算研究
• 2.3.2 桥墩局部冲刷计算研究
• 第三章 多级圆柱桥墩局部冲刷水力模型试验研究
• 3.1 桥位水力模型试验的基本理论
• 3.1.1 桥位模型试验的意义和种类
• 3.1.2 桥位模型试验的相似理论
• 3.2 桥位水力模型试验概况
• 3.2.1 水槽试验设计
• 3.2.2 试验方案设计
• 3.2.3 试验仪器与设备
• 3.2.4 试验方法
• 3.3 试验现象与成果分析
• 3.3.1 单墩绕流试验成果分析
• 3.3.2 双排群桩冲刷试验成果分析
• 3.4 小结
• 第四章 多级圆柱桥墩冲刷公式的建立及分析
• 4.1 局部冲刷影响因素
• 4.2 局部冲刷计算新公式
• 4.2.1 本文公式主体结构的选定
• 4.2.2 本文公式的理论推导
• 4.2.3 有关参数的确定
• 4.3 公式的验证
• 4.3.1 验证公式的选择
• 4.3.2 验证的结果
• 4.3.3 结果分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 结语与展望
• 5.1 本文的主要研究成果
• 5.2 未来工作的建议及展望
• 参考文献
• 附录1 试验各组次桥位布置图
• 附录2 65-2 修正公式计算桥墩局部冲刷深度数据处理一览表
• 附录3 用本文新公式计算桥墩局部冲刷深度数据处理一览表
• 致谢
• 作者简介