山区顺直河道纵向桥墩局部冲刷试验研究

作     者：张晨光 

作者单位：长安大学 

学位级别：硕士

导师姓名：齐洪亮

授予年度：2021年

学科分类：081406[工学-桥梁与隧道工程] 08[工学] 0814[工学-土木工程] 082301[工学-道路与铁道工程] 0823[工学-交通运输工程] 

主      题：顺直河道 纵向桥 桥墩冲刷 模型试验 局部冲刷深度 

摘      要：近些年来,我国在西部山区修建了许多高速公路,为了减少公路基础设施建设对区域生态环境的影响,常常采用纵向桥梁代替传统路基形式。然而,纵向桥墩数量众多,对河道水流形态影响严重,导致桥墩局部冲刷问题突出,且冲刷机理复杂。开展山区顺直河道纵向桥墩局部冲刷试验研究,对揭示纵向桥墩局部冲刷机理和冲刷深度确定方法,具有重要的理论及实际意义。本文在归纳分析山区顺直河道纵向桥墩局部冲刷影响因素的基础上,针对纵向桥位置、纵向桥跨径及纵向桥轴线与水流夹角等因素对纵向桥局部冲刷特征的影响问题,通过多因素、多水平的室内模型试验,研究了不同影响因素对纵向桥局部冲刷深度的影响规律,并提出了相应的纵向桥墩局部冲刷深度确定方法。论文的主要研究内容和研究结论如下:(1)首先,本文从自然因素和纵向桥因素两方面,分析了山区河道纵向桥墩最大局部冲刷深度的影响因素,选择研究的主要因素为:纵向桥跨径、纵向桥位置以及纵向桥轴线与水流方向的夹角。(2)在选定影响因素的基础上,结合试验条件与现场河道特征选择比尺,选取52cm、64cm、80cm、120cm、160cm、200cm等6个跨径进行模型试验。结果表明:各桥墩局部冲刷深度的变化规律与L/D(L为桥墩跨径、D为桥墩直径)密切相关。当L/D≤20时,随着桥墩跨径的增大,桥墩的局部冲刷深度逐渐减小;当L/D20时,随着桥墩跨径的增大,桥墩的局部冲刷深度逐渐增大;当L/D≥30时,跨径对局部冲刷深度无明显影响,桥墩局部冲刷深度可按单桥墩处理。(3)当纵向桥跨径相同时,对桥墩组位于河道中间和河道一侧时的最大局部冲刷深度进行对比。结果表明:当纵向桥位于河道一侧时,各列桥墩的最大局部冲刷深度在纵向上的变化趋势与纵向桥位于河道中间时一致,在横向变化较为明显,受河道边壁的影响,各桥墩最大局部冲刷深度有所增大。(4)第1排桥墩的最大局部冲刷深度不受后排桥墩的影响,且其最大值与65-2公式的计算结果接近。后排桥墩最大冲刷深度均有所减小,减小幅度与纵向桥跨径有关,总体呈现先减小后增大,最终趋于稳定的趋势,具体冲刷深度大小可依据桥墩布设情况的不同,参照表4.1～表4.3和表5.3～5.4中的系数,通过对65-2公式计算结果进行折减而确定。(5)当纵向桥轴线与水流方向存在夹角时,分别研究了跨径为52cm和64cm,夹角为5°和10°时纵向桥局部冲刷深度的变化规律。结果表明:当L/D≤16,且纵向桥轴线与水流方向夹角在10°以内时,改变桥墩跨径和纵向桥轴线与水流方向的夹角,对桥墩周围局部冲刷深度造成的影响不大。