桥墩周围水环境相关问题研究

superhugo

桥墩周围河床在水流冲刷作用下的防护本质上是桥墩周围水环境与防护体相互作用的问题。这一问题目前在国外研究较多，而国内对此研究很少，也没有特别好的研究成果出现。桥墩是桥梁下部结构的组成部分，在我国，桥墩冲刷的问题以前较多地为土建行业研究人员所关注，国内铁路、公路部分相关研究人员在上世纪50年代开始就已经着手通过试验研究或现场观测等手段研究桥墩周围一般冲刷与局部冲刷的相关规律，由此得到了众多计算公式，用于指导实际桥梁的设计。但对于桥墩周围河床的冲刷防护问题，从掌握的资料来看，国内基本没有出现比较好的机理性研究成果，主要的研究手段还是通过试验，总结出一些公式，公式的适用性尚值得商榷。
    桥墩冲刷防护问题应该属于土建和水利两大专业领域的共有问题，从我个人的理解来看，更加偏重于水利专业，其主要解决的问题是桥墩周围水流与防护体（如抛石）之间的相互作用及抛石在水流作用下的稳定性问题，基于此，建立合理的桥墩冲刷防护手段，因此前者是根本，后者是前者的实际应用。感觉国外对该问题的机理性研究比较多，但离问题的解决还远远不够。从知名的国际期刊，如JHE、JHR、AWR上经常能发现这方面的研究文章。总体来说，国外对该问题的研究比国内要深入得多。
    在这里也想和大家探讨下，当一座桥梁的基础出现冲刷危险时，我们的抛石应该如何设计才是最合理的？抛石的粒径、级配等参数应该如何确定？怎样能够确定抛石投入水中后它是否稳定？抛石稳定性问题应该落脚在哪一些理论框架之上，或者用哪些理论可以有效地确定抛石的稳定性？希望大家不吝赐教！

通流

挺有意思的问题。不过，这里好像搞环境的人不多，是不是应该先科普一下，让大家知道问题在那里。比如冲刷的后果是什么？抛石的作用是什么？

superhugo

感谢版主的关注。桥墩周围冲刷特别是局部冲刷，主要是由于桥墩阻水形成墩周高度紊流，在墩周复杂紊流场作用下，使得桥墩基础周围的泥沙被挟带至下游乃至更远处，墩周河床高程降低，从而危及桥墩基础的安全。跨河桥梁的水毁，很多情况下都是因为这种冲刷作用造成的。对于这种冲刷，应用比较普遍的措施是在墩周抛掷大石块，也即常说的抛石。抛石粒径远比墩周泥沙为大，因而不易为水流起动，在抛石的防护作用下，可使其下部的泥沙不易被水流挟带；另一方面，抛石增加了水流阻力，消耗了水流的能量，使得冲刷强度减弱。但抛石并非一劳永逸的防护措施，在洪水期等水流强度较大的情况下，可能会被破坏（不仅仅是水流的剪切破坏）从而失去其防护功能。

通流

冲刷的流体现象应该是称作 马蹄涡 吧。这种现象是避免不了的。

一般抛石大概抛多大的石头？因为马蹄涡的尺度与桥墩的尺度，以及水深有关。所以石头的大小也应该与此相关。

通流

流体在桩前形成的流动示意图：

superhugo

原帖由 通流 于 2011-2-23 11:59 发表

                               
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冲刷的流体现象应该是称作 马蹄涡 吧。这种现象是避免不了的。

一般抛石大概抛多大的石头？因为马蹄涡的尺度与桥墩的尺度，以及水深有关。所以石头的大小也应该与此相关。

版主的理解是正确的。墩周紊流复杂，除马蹄形漩涡外，造成局部冲刷的还有墩前下降流，犹如“吸尘器”般的墩后尾流挟带泥沙的作用等。总的来说，局部冲刷的问题到目前为止也没有得到很好地解决。国内外都主要还是通过试验手段获得相关经验公式，目前用于局部冲刷的公式有一两百个之多，公式的适用性尚值得商榷。特别是用于实际跨江跨河乃至跨海桥梁的局部冲刷计算时，如何选择一个合理的公式来反映实际的冲刷状况，还是一个值得探讨的问题，并且大部分公式给出的是平衡冲刷状态下的冲刷深度，冲刷深度随时间的发展（temporal variation），则没有很好的考虑。
    抛石大小与水深、桥墩尺寸、墩前行近流速等有关，另外还需要考虑其级配。国外对抛石冲刷防护的研究很早就开始了，也得出了一些抛石粒径设计公式。但总的来说，抛石防护理论还不完善，很多机理性问题还未得到解决。对于抛石的失稳机制，南洋理工大学的Y.M.Chiew通过试验得到了以下几种，即：（1）抛石由于水流剪切作用超过自身抗力而导致的失稳，即：剪切失稳shear failure；（2）外部抛石与床沙的shields应力不一致造成边缘冲刷的加剧，抛石滚入坑中失去防护作用，即：边缘失稳edge failure；（3）抛石之间的孔隙使得水流淘刷细颗粒使之从孔隙中被水流挟带，即：淘刷或风选失稳winnowing failure；（4）在动床条件下，床面泥沙的运动将抛石掩埋，从而使其失去防护作用，即：动床失稳live-bed failure。以上是目前研究发现的几种抛石失稳的形式，但这几种模式的内部力学机制还未很好地揭示出来，值得进一步研究。这其中的关键问题就包括：墩周水流与抛石运动的耦合作用；动床条件下水流、床沙对抛石稳定影响的规律等等。
    桥墩局部冲刷及其冲刷防护，是一个值得深入研究的问题，本质上也是一个环境流体力学的问题。这里提出来，希望能对大家有所启发和思考。

[ 本帖最后由 superhugo 于 2011-2-23 14:52 编辑 ]

通流

从你的描述来看，主要还是马蹄涡的问题。像墩前下降流，墩后尾流都是马蹄涡的一部分。

如果这个机制是对的话，主要的是加强桥墩周围马蹄涡区域的阻力（掺混）。目的是让马蹄涡尽快变大，变弱。涡的区域越小，旋转就越快，冲刷可能就严重。也就是大的石头（也许可以用别的结构，如钢的网等）的尺寸必须大于马蹄涡的尺寸，使得马蹄涡的旋转速度降下来。再配合其它小一点的石头水泥块等，应该有用。关键还是在前面区域。因为如果马蹄涡已经被削弱，对墩后的影响可能会小一点。

以上都是我的猜想。我不是搞水利的。

[ 本帖最后由 通流 于 2011-2-24 20:21 编辑 ]

superhugo

谢谢通流的建议，我目前准备用数值模拟的手段结合试验研究墩周抛石的运动。刚刚开始，还没进入状态。。。

通流

我看你的博客中，好像已经有了想法，还挺有把握。能不能适当公开一部分，让大家讨论讨论。

通流

其实，我对你的失稳的说法感觉有点奇怪。石头被冲走的原因应该是石头底下的小石头，泥沙被冲走了。要说稳定性，也应该是那些泥沙的稳定性。你需要的只是，水的剪切力小于多少时，更直接的是水的流速小于多少时，泥沙基本不会被冲走。而解决这个问题就要靠物理的阻尼。像大石头，金属的防护架，等等，来实现。

superhugo

原帖由 通流 于 2011-2-25 02:34 发表

                               
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其实，我对你的失稳的说法感觉有点奇怪。石头被冲走的原因应该是石头底下的小石头，泥沙被冲走了。要说稳定性，也应该是那些泥沙的稳定性。你需要的只是，水的剪切力小于多少时，更直接的是水的流速小于多少时，泥沙 ...

谢谢版主的关注。其实抛石的稳定性问题不单单涉及下部泥沙被冲走的问题。前人研究的失稳形式中已有明述。下部泥沙被众多抛石掩埋的情况下，抛石就是首当其冲地抵抗水流作用了。而且现场观测也发现，一般洪水期过后，抛石的分布形态可能会发生很大变化，被水冲散的抛石不再起防护作用。所以稳定性的问题之一，就是抛石能否抵抗水流的作用。另外，下部泥沙被冲走的情形，属于水流通过抛石孔隙将泥沙带走的情形，亦或抛石失去防护作用后，泥沙直接被冲走的情况。不知道我的解释是否到位。
目前的工作刚开始，等有进一步的好的成果后，再上来与大家分享吧。

通流

你有具体一点的数据，或描述吗？如洪水前后抛石分布的情况，照片。