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水利工程论文-抛石体在桥墩处的防护作用.doc水利工程论文-抛石体在桥墩处的防护作用.doc -- 2 元

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水利工程论文抛石体在桥墩处的防护作用摘要虽然抛石体是桥墩处抵抗冲刷最为普遍的应用方法,但对活动河床条件下抛石的性能目前几乎还没有什么研究。在本文中,对破坏机理、稳定性,以及抛石体铺设水平所起的作用都进行了试验研究。在清水条件下,抛石体主要遭受剪切,簸和边缘破坏。活水条件下,由于河床构造的发展变化造成的不稳定性成为非常重要的方面。河床构成形式造成的不稳定性受到桥墩处的河槽形式变化带来的不稳定因素的影响。试验用于估测在一个大范围的水流条件下,抛石对桥墩能起到怎样的作用。对在沉积河床的深处铺设抛石层,而非河床床面铺设抛石的作用也进行了研究......关键词抛石体桥墩处防护作用1.前言在多数河流环境中,冲刷孔围绕桥墩基础形成。由于桥墩导致的强大的旋涡运动冲走了桥墩基础周围的河床沉积物。最普遍应用的抗浸蚀作用技术是采用给河床铠甲装置,如抛石。以抛石充当自然屏障来承受水流的冲蚀力。奇沃1995和奇沃利姆2000曾提出,抛石体的防护性受到某些破坏机理的影响,这些破坏机理可以使石料不稳定,并导致保护面的完全裂变。在清水条件下,下列破坏机理可能发生(1)剪切破坏抛石体被水流卷走(2)簸破坏在紊流和渗流作用下,较细的下部河床物质遭到侵蚀(3)边缘破坏抛石层外围护石造成冲刷。Chiew,Lim2000确立了一个第4破坏机理,在活动河床条件下,抛石层由于河床的运动而不稳定。随着大型沙丘的迁移,抛石层由于淘刷的作用而沉入河床沉积物中。常常有这样的建议,在波浪形的河床上,抛石层应该被铺设在河床物质的某个深度。其合理性在于较深的层可以不受河床形式运动的影响,和被淘刷的机会。目前为止,还没有尝试对其作用进行量化的研究。目前的研究目的,就是要证实不稳定性对河床桥墩抛石体的影响,以及估测抛石层铺设水平所产生的影响。试验采用圆柱体桥墩,在两个不同尺寸的活动河床条件下进行,用沙丘和逆沙丘模仿沉积运动。根据对当前设计方案的审查,每一层抛石围桥墩铺设呈园形排列。对于一般性平整河床,在4个不同的深度做抛石层试验。对每一层的最终铺设位置和水流速度加以关注并与未受保护的冲刷深度进行比较。2.试验程序试验在2个宽度分别为0.44m和1.52m的可循环试验水槽进行。丙烯酸圆形桥墩直径分别为70mm和200mm。两个水槽都采用均匀的河床沉积物,中值粒径d500.95mm,抛石材料在0.44m宽度的水槽,采用S1、S2、S3和S6表示。S5、S4用于1.52m宽的水槽。石料的中值粒径D50,以及其特性,示于表1。Shields函数用于计算临界应力速度UC。加注下脚标S(即UCS)表示河床沉积物,加注下脚标r表示抛石。抛石采用同心设置,围桥墩,采用直径4D的平均面积C,和2D50的层厚度t。4个不同的铺设深度为Y/D=0,0.29,0.57,0.86,其中Y等于最上面的抛石体深度位置。抛石体、桥墩和沉积排列定义草图请见图1。表1河床沉积和抛石特性在一定流速范围内观察抛石层的反应,临界近似流速在0.44m宽的河槽内为U/Ucs0.613.10,在1.52m宽度河槽内为U/Ucs1.482.26。在0.44m宽度河槽的水流范围内可以观察到沙丘和逆沙丘形成。在稳定,近似均匀水流条件下进行试验。表2列出的是在这项研究中的全部试验条件及结果。图1抛石体定义草图3抛石对河床形式的反应3.1破坏机理表面铺设抛石层河床形态的运动经过桥墩导致桥墩处河床面的波动。这样的波动使桥墩抛石变得不稳定。抛的运动有两种形式。如果河床比抛石层底部深,那么抛石会掏槽并滑入河槽区域,可能会被埋入一个深度。一旦石料被移走,底部沉积物造成的簸增加,相邻的石料产生更大的移动。当河床波动,接近桥墩时,短期内可以导致高紊流、高剪应力。抛石体可能会被冲走,冲至桥墩被水处。由河床形式变化产生的不稳定性破坏过程示于图2。图2河床构造的不稳定破坏过程对于埋置形式的机理,经河床的最低河槽位对抛石层的沉陷具有最大的影响。如果桥墩下游的河床形式逐渐加深,石层会继续下沉。特殊水流条件下的最深河槽,其最大深度处的抛石下沉(陷)的情况可以确定。最大河床深度的水流速度是抛石层发生最大沉陷的条件。其中具有最高剪应力的抛石尺寸是非常重要的。小尺寸石料S1破坏的相对流速较低U/Ucs。河槽形态造成紊流的地方破坏速度快,成批地被冲走,导致抛石层的快速崩解。Chiew,Lim2000年曾提到过在沉积条件下抛石对水流的反应变化。埋入情况的差别在于抛石料与河床物质之比的大小,从而发生不同的反应。根据Chiew,Lim2000的理论,对于抛石料尺寸的研究,应该具有足够大的尺寸,以应对埋置的情况,而不会发生抛石层的瓦解。研究的结果在很大程度上支持这样的结论在全部的水流速试验中,除S1石料以外,所有的石料都沉入河床沉积物中。在较高的流速情况下,河槽的剪应力接近于石料的临界剪应力,有部分石料的确是由于剪力而移动,而埋入河槽底部。S1抛石石料D507.8mm,基于Chiew和Lim2000标准,临界剪切速度的大小相似于河床物质。如上所述,S1石料的U/Ucs值比其它所有的抛石试验尺寸低时受到破坏。其原因,可能是这个特殊尺寸的石料对破坏机理更具敏感性。3.2抛石对水流速的反应表面铺设层当受到上述提到的4种形式之一或以外更多情况影响时,抛石仍然能够对桥墩提供一定的保护作用,比未受保护的桥墩降低了局部的冲刷深度。对6种抛石石料尺寸逐一进行了试验。通过量测试验后的冲刷结果,比较未受保护的冲刷深度值。未受保护的冲刷深度,用测深声纳在上游桥墩处进行量测,确定为试验时段内,上游桥墩处的最大冲刷深度,相对于平均沉积河床水平。由于抛石层的设置,冲刷深度作为在桥墩上游面最低抛石位置的垂直变化进行了量测。抛石层铺设面试验结果示于图3。相对局部冲刷深度(dr/dsmax),dr为受到保护的桥墩局部冲刷深度,dsmax为未受保护桥墩的最大局部冲刷深度。U/Ucs为相对流速。还包括L1和L2的数据组,经过选择的数据作为试验结果的典型数据。图3在圆柱形桥墩周围床面铺设抛石的特性抛石尺寸示于图3。当相对流速增加时,相对冲刷深度dr/dsmax也增加。最小的石料尺寸(S1、L1、L2)相对局部冲刷深度增加将近1.0,即对抛石层的冲刷接近了未受保护桥墩的数值。较大的抛石石料,也显示出这个趋势。根据这
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