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西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 随着国民经济的发展和社会生产力水平的提高，需要在河流上修建越来越多的 桥梁，在山区和部分平原地区，受河流形态、路网和桥梁两端地形地貌的限制，桥 位不得不采用斜交布设方式。桥位斜交会带来与正交情况下不同的斜交效应，使得 斜交桥的冲刷计算方法中要考虑斜交角度的影响。 现行的一般冲刷和局部冲刷计算方法主要是针对桥轴线与河流正交的桥梁，当 桥轴线与河流斜交时，其交角对冲刷的影响主要由有效过水面积和桥孔净长来反映， 现行计算斜交桥下有效过水面积和桥孔净长有两种方法：投影面积法和斜交面积法。 由于水流流过斜交桥时流向会发生偏转，采用投影面积法和斜交面积法计算有效过 水面积和桥孔净长都不甚合理，而是在计算有效过水面积和桥孔净长时，应当考虑 水流流向偏转角的影响。 本论文通过分析桥渡水力学特征，给出了适合桥渡水流流场的水动力学方程， 并采用沿水深平均的方法对方程进行了简化，得到了桥渡二维水动力学方程，然后 采用有限体积法对方程进行了离散，建立了桥渡二维流场数值模型，并通过对冲刷 机理的分析，设定了模型中的特定参数。通过f l u e n t 对不同斜交角、压缩比和水流 流速情况下的桥渡二维流场进行了数值模拟，得到了各种情况下桥渡附近的水流速 度矢量图和桥墩墩心连线上各点处的水流速度和水流流向偏转角度变化曲线图。然 后采用加权平均的方法计算得到了各种情况下的桥渡水流流向偏转角度。最后通过 对比分析，得到了斜交桥下水流流向偏转角度随斜交角、压缩比和水流速度的变化 规律。本规律可供今后人们在斜交桥的孔径计算中参考，为斜交桥冲刷计算的研究 开辟了新的途径。 关键词：斜交桥：冲刷；偏转角度：数值模型 西南交通大学硕士研究生学位论文第1i 页 a b s tr a c t w i t ht h ed e v e lo p m e n to ft h en a tio n a le c o n o m ya n dt h ei m p r o v e m e n to ft h e s o c i a lp r o d u c t i v el e v e l ，m o r ea n dm o r eb r i d g e sn e e dt ob eb u ii to v e rr i v e r s i nt h em o u n t a i n sa n dp a r to f t h ep l a i na r e a s ，b e c a u s eo ft h er e s t r i c t i o n s o ft o p o g r a p h ya n dg e o m o r p h o l o g ya tt h ee n d so fb r i d g e sa n dr i v e rm o r p h o l o g y a n dr o a dn e t w o r k ，b r i d g el o c a t i o nh a st oa d o p tt h ew a yo fs k e wb r i d g e s k e w b r i d g ew illb r i n gs k e we f f e c t sd i f f e r e n tf r o ms q u a r eb r i d g e ，m a k i n g i t n e c e s s a r yt ot a k ei n t oc o n s i d e r a t i o nt h ei m p a c to fs k e wa n g l ei n t h es c o u r c a l c u l a tio n t h ee x i s t i n gw a yf o rg e n e r a ls c o u ra n dl o c a ls c o u ra p p li e sm a i n l yf o r s q u a r eb r id g e b u tw h e nt h eb r id g ea x iss k e w sw it ht h er iv e r ，t h ei m p a c to f s k e wa n g l eo ns c o u r i n gisr e f l e c t e db ye f f e c t i v ew a t e ra r e aa n dt h en e tl e n g t h o ft h eb r id g eo p e n in g c u r r e n tl y ，t h e r ea r et w ow a y sf o r c a lc u la tin gt h e e f f e c t i v ew a t e ra r e aa n dt h en e tl e n g t ho ft h eb r i d g eo p e n i n go ft h es k e w b r i d g e ：p r o j e c t e da r e am e t h o da n ds k e wa r e am e t h o d a s ar e s u l to ft h e d e f l e c t i o no fw a t e rf l o w i n gt h r o u g ht h es k e wb r i d g e ，i ti sn o ts or e a s o n a b l e t oc a l c u l a t et h ee f f e c t i v ew a t e ra r e aa n dt h en e tl e n g t ho ft h eb r i d g eo p e n i n g w i t hp r o j e c t e da r e am e t h o da n ds k e wa r e am e t h o d r a t h e r ，i nt h ec a l c u l a t i o n ， t h ed e f l e c t i o na n g l eo fw a t e rf l o w i n gs h o u l db ec o n s i d e r e d t h r o u g ha n a l y z i n gt h ef e a t u r e so fw a t e rd y n a m i c s ，t h ist h e s i sg i v e so u t t h ee q u a t i o no fw a t e rd y n a m i c sf i t t i n gf o rt h eb r i d g ec u r r e n t ，a n dt h r o u g h a d o p t i n gt h em e t h o do fe q u a l i z i n gw a t e rd e p t ht os i m p l i f yt h ee q u a t i o n ：i t o b t a i n st h et w o d i m e n s i o n a lw a t e rd y n a m i c se q u a t i o n i nt h ef o l l o w i n g ，t h i s t h e s i st a k e st h ea d v a n t a g eo ff i n i t eb u l km e t h o dt od i s c r e t et h ee q u a t i o n ， e s t a b l i s h i n gt h et w o - d i m e n s i o n a lc i r c l ef l o wf i e l dm o d e l ，a n dt h r o u g ht h e a n a l y s i so fs c o u r e dp r i n c i p l e ，i ts e t su pt h es p e c i f i e dp a r a m e t e ri nt h em o d e l b ym e a n so ff l u e n t ，t h i st h e s i sn u m e r i c a l l yi m i t a t e dt h e t w o d i m e n s i o n a l c i r c l ef l o wf i l e df r o mt h ed i f f e r e n ts c o u r e da n g l e s ，c o m p r e s s i o nr a t i o sa n d t h ew a t e rc u r r e n t ，a n do b t a i n st h ev e c t o rc h a r t so fw a t e rc o u r s es p e e d ，t h e 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 ii 页 s p e e da te a c hp o i n to f t h eb r i d g ep i e r sh e a r t s ，a n dt h ec h a n g i n g p a t t e r nc h a r t so ft h ed e f l e c t i o na n g l e s t h e n ，t h i st h e s i sm a k e su s eo ft h e w e i g h t e dm e a n sm e t h o dt oo b t a i nt h ed e f l e c t i o na n g l e so fw a t e rf l o wi na n y c a s e s a tl a s t ，t h r o u g ht h ec o m p a r e da n a l y s is ，t h ist h e s isg e t st h ec h a n g i n g p a t t e r no ft h ed e f l e c t i o na n g l e t ot h ev a r i a b l e so fs k e w a n g l e ，t h e c o m p r e s s i o nr a t i oa n d t h ec h a n g i n gw a t e rc u r r e n ts p e e d ，t h i sl a wp r o v i d e r e f e r e n c ef o rc a l c u l a t i n ga p e r t u r eo fs k e wb r i d g ef o rp e o p l ea n do p e n i n gu p an e wp a t hf o rt h es c o u rc a l c u l a t i o no fs k e wb r i d g e s k e yw o r d s ：s k e wb r i d g e ：s c o u r ：s k e wa n g l e ：n u m e r i c a lm o d e l 西南交通大学曲南父逋大罕 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密吖使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ) 学位论文作者签名勿、l 哲 日期：缈叩1 、宫 指导老师签名：诗乔荔 日期：彻罗，2 夕 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作 所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承 担。 学位论文作者签名：彦、1 苟 日期：矽卵年l 楣g 日 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 研究意义 随着国民经济的发展和社会生产力水平的提高，需要在河流上修建越来越 多的工程建筑物。其中，桥梁是跨越江河沟谷的主要方式。桥渡设计的主要任 务是：确定桥梁跨越水域的位置( 即桥位选择) 、桥梁孔径( 即桥梁高度和长度) 及基础埋深，以及河滩行近路堤设计和导流防护建筑物的布设。 桥位的选择取决于河流的平面形态及其变化。河流的冲淤变化是形成河流 平面形态及其变化的主要原因，而对大多数河流上的桥渡来说，冲淤是河流平 面形态变化的主要动力。桥梁高度和长度的确定，取决于河流的流量、水位和 河床可冲淤情况。基础埋深取决于桥渡运营期限内河床的极限冲刷深度。导流 防护设备必须在其自身不被冲刷破坏的情况下履行其功能。河滩路堤的设计要 计及沿路堤的河滩冲刷，以及河滩泄洪桥上、下游的冲刷。正确地认识桥渡河 段的河床冲刷，特别是桥下河床断面上可能的最大冲刷深度，是做好桥渡设计 的必要条件。 桥梁冲刷计算不仅对新桥设计必不可少，对原有桥梁的养护也同样不可缺 少。如何采取有效的措施对水害桥梁进行加固、养护，延长桥梁的使用寿命， 如何减少河床采砂等人为活动对桥梁的影响幢1 都是桥渡设计的重要内容。对于桥 墩冲刷问题如果可以预先采取防冲刷保护措施，这对桥梁的安全更有利。 公路、铁路上跨越河流修建桥梁等建筑物时，由于我们水文资料掌握不够、 冲刷设计不切实际，或桥渡建筑物布置不当，遇到较大洪水往往引起水毁事故， 不但修复工程要直接耗费大量财力，而且运输中断，使国民经济遭受更为严重 的损失。在所有的桥梁水毁事故中，出现最多、情况最为严重的，首推冲刷造 成的桥渡水害。1 9 9 5 年统计了1 5 5 座桥渡遭受过2 1 2 次的水害中，基础埋深不 足的就有4 2 次；其他各种导致水害的原因，如桥位选择不佳、设计流量偏小等， 也都是以冲刷的形式将桥渡破坏。其深层次的原因，则为对河流演变及河流冲 刷的性质认识不足。1 9 9 4 年铁路共发生桥涵水害4 9 处，断道次数只占全路总断 道次数的1 0 ，但断道行车时间2 3 1 9 小时，占中断行车总时间的3 6 。它对运 输造成的损失远远超过其他断道原因。故而，桥渡冲刷和浅基桥安全渡汛，一 直是困扰公路、铁路运输的重要课题。另据资料表明，截至1 9 6 2 年，在部分设 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 计施工的5 1 0 座大中桥中有水害的9 0 座，占总数的1 7 ；在平齐、包银等2 0 多条铁路有7 5 座水害桥，其中冲刷致害的3 9 座，占总数的4 5 3 。桥渡冲刷亦 是公路、铁路设计的重要课题。 目前，我国的基础建设蓬勃发展，需在我国东北、华北、西北和西南地区 修建公路或铁路，受桥梁两端地形地貌、河流形态和路网的限制，桥位不得不 采用斜交布设方式。桥位斜交会带来与正交情况下不同的斜交效应b 3 ，开展斜交 桥的冲刷计算对于桥梁设计、维护加固等都具有重大意义。并且开展斜交桥冲 刷的研究还具有重大的学术价值、工程应用价值和明显的社会经济效益。 1 2 桥渡冲刷计算的研究现状 桥渡冲刷包括：河流自身的洪水冲刷( 天然冲刷) 、桥渡压缩河流可能产生 的压缩冲刷、桥墩台周围的局部冲刷。通常将河流的天然冲刷和桥渡压缩冲刷 统称为桥渡一般冲刷h 。桥墩附近的最大冲刷深度应是一般冲刷与局部冲刷二者 之和。目前对冲刷深度的计算，一般先计算出可能的一般冲刷，再用一般冲刷 后的水流条件计算可能的局部冲刷，二者之和即为总冲刷深度。 长期以来，由于桥渡附近水流流态的复杂性，虽然对有关桥渡做了大量的 研究工作，但是仍然没有发现单纯的理论计算公式。国内外许多研究者通过分 析影响因素，得到计算关系式，通过因次分析得到表达式，再通过现场实测资 料和模型试验资料的分析确定相关参数，通常称通过这样的步骤获得的公式为 经验公式；基于某种理论和假设推导出基本关系式，再通过试验资料和实测资 料确定相关系数，这样的公式称为半经验半理论公式。 1 2 1 国内外桥渡冲刷的计算方法 1 2 1 1 俄罗斯的桥渡冲刷计算 ( 1 ) 包尔达柯夫公式 早期计算桥渡冲刷的公式，是包尔达柯夫根据别列留勃斯基设定提出的。 其基本概念为：桥下流速恢复到建桥前的天然流速时，冲刷即行停止，这时的 冲刷深度与冲刷前的水深成正比。其计算公式为： h 。= 杈 ( 卜1 ) 式中： 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 办。桥下一般冲刷后垂线水深( m ) ； h i 桥下冲刷前垂线水深( 1 1 1 ) ； p 冲刷系数； h 。一h i = a h 。一般冲刷深度( m ) 。 此式的意义为：随着流量的增大，桥下流速增大冲刷河床：河床受冲刷， 水深增加；随着水深的增加，流速减小。当流速减小到天然河槽流速时，冲刷 即行停止。此时的水深即为桥下冲刷后水深，等于冲刷系数乘桥下冲刷前水深。 式( 卜1 ) 表明，桥下冲刷深度正比于冲刷前水深，是为成正比例冲刷。在此基 础上包尔达柯夫1 9 4 8 年又根据实际资料给出了包含墩周局部冲刷深度在内的墩 周总冲刷深度的计算公式，即 小以? 式中： 矗。墩周总冲刷深度( 一般冲刷后水深加局部冲刷坑深) ( m ) ； v i 河槽天然平均流速( m s ) ； v 日动力平衡流速( m s ) ； ，z 桥墩形状指数。 ( 2 ) 李斯特万公式 李斯特万公式的基本形式为啪1 ： b 鲥培 。= 盟 对非粘性土： 1 ，h = 0 6 8 d 妣8 励； 对粘性土： h p = 矧h 纠3ij o 6 0 8 ( 1 - 2 ) ( 1 - 3 ) ( 1 - 4 ) ( 1 - 5 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 v = 0 6 8 y ：1 8 励； h p 。 矧h 纠3l 0 6 0 y ! 1 8 ( 1 - 6 ) ( i - 7 ) 式中： j l i 。一般冲刷后水深( m ) ； q 流量( m 3i s ) ； l 狰孔( m ) ； 厅，厅，桥下冲刷前平均水深和垂线水深( m ) ； v h 动力平衡流速( m s ) ； d 河床泥沙平均粒径( m m ) ； 不同频率流量的换算系数； x 水深的指数。 2 0 世纪5 0 年代，李斯特万公式在我国曾被广泛地使用。使用的一般情况是： 含沙量大的河流偏大，含沙量小的河流合适；细颗粒河床偏小，大颗粒河床偏 大；浅水河床偏大，深水河床较合适。 ( 3 ) 安得列也夫和雅罗斯拉夫采夫公式 1 9 6 0 年安得列也夫在桥渡设计一书中提出了计算一般冲刷的输沙平衡 公式，同时介绍了雅罗斯拉夫采夫的桥墩局部冲刷公式，成为当前苏联计算桥 渡冲刷的主要公式u 1 。 安得列也夫一般冲刷计算公式为： 旷舷 3 4 h i m 8 ， 式中： 眈，q 建桥后桥下河槽宽度、河槽流量( 有被压缩流量汇入) ； b 。，q 1 天然河槽宽度、河槽流量。 雅罗斯拉夫采夫局部计算公式为 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 h h = k 孝( 口+ k ) 二一一3 0 d ( 1 9 ) 式中： 玩桥墩周围局部冲刷坑深( i t i ) ； v 墩前行进流速( m s ) ； d 河床泥沙平均粒径( m ) ； 砭墩形系数； k 。桥墩相对宽度系数； k 。水深系数； 口流速沿垂线分布系数。 ( 4 ) 1 9 9 0 年教科书公式 桥渡一般冲刷深度计算公式： 康托拉在其1 9 9 0 年出版的铁路桥渡设计一书中给出的桥渡般冲刷深 度计算公式，仍为李斯特万公式。 桥墩局部冲刷坑深度计算公式： 在均质无粘性土中，自一般冲刷终止时河床面算起的桥墩局部冲刷坑深度 h 。的计算公式为： 驴v a a h o + 0 0 1 4 ( 等) 6 m 式中： 磁水流斜交系数，水流斜交角口1 0 。时如= 1 ； ，墩前行进流速( m s ) ； 河床泥沙起动流速( m s ) ； 翻河床泥沙沉降流速( m s ) ； b 桥墩宽度( m ) ； 幽。均质泥沙河床上的圆柱形墩，1 ，= v o 时的局部冲刷深度。 就一般冲刷公式来说，式( 卜1 ) 在稳定的中小河流上还是好用的。李斯特 万公式的结构形式合理，因而前苏联长期以来一直使用此式。 就局部冲刷计算来说，这方面的公式很多，但适用的很少。我国早期使用 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 过安得列也夫和雅罗斯拉夫采夫公式。但此二式中，前者过多地计及了一般冲 刷后水深的作用，后者过多地计及了泥沙粒径的影响，故1 9 6 4 年以后我国就很 少使用此二式了。 1 2 1 2 欧美国家的桥渡冲刷计算 ( 1 ) 一般冲刷计算方法 欧美国家计算桥渡一般冲刷有两个基本理论：一是莱西和不伦奇等人的均 衡理论；一是劳尔逊的输沙平衡理论。 1 ) 均衡理论 均衡理论的概念n 1 是，携带一定数量泥沙的冲积河流的水流，经过长期的运 转，自然地塑造成的河槽宽度、水深和坡度，可以用公式来近似计算，这些公 式称之为均衡公式。均衡公式是2 0 世纪前半叶，在印度次大陆，为了进行灌溉 渠系设计观测了很多资料，加以经验性的总结得来的。莱西根据来自为数众多 的渠道的资料，总结出的关系式为： 1 ，= 0 6 2 5 ( f , 则p ( 卜1 1 ) 尸= 4 8 4 q i 29 p = w r j o = 0 0 0 0 3 0 4 f ? 7 3 q 1 7 6 正= ( 2 5 0 0 d ) 2 式中： ( 1 - 1 2 ) ( 1 - 1 3 ) ( 1 - 1 4 ) 1 ，平均流速( m s ) ； 9 流量( m 3 s ) ； 形过水面积( m 2 ) ； r 水力半径( r n ) ； p 湿周( m ) ； b 河槽宽度( m ) ； d 泥沙粒径( m ) ； f 粒径为d 的泥沙因子； 以河床坡度( m ) 。 在河流特征相似的场合，使用这些公式是成功的。但如将这些公式用于河 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 流特征明显不同的场合，将得到灾难性的结果。另外一个麻烦是，按均衡理论 设计的渠道，输送的主要是相对比较固定的流量和沙量，而河流则不然。 2 ) 输沙平衡理论 用输沙平衡理论n3 计算桥渡一般冲刷的基本概念是：具有直墙式桥台的桥孔 压缩河流，类似于一个长压缩河段。若河床是可压缩的( 动床) ，上游的夹沙水 流进入桥孔( 长压缩段) ，流速增加，冲刷河床，水深增大。随着水深增大，流 速减小，冲刷趋于停止，此时的水深即为压缩冲刷水深。在此过程中，来自上 游的泥沙源源不断地补充到桥孔。开始冲刷时，流速增大，自桥下冲走的泥沙 量大于来自上游的补给泥沙量，河床下降，水深增大。随着水深的增大，流速 减小，桥下冲走的泥沙量亦减少。当桥下冲走的泥沙量减少到等于上游补给的 泥沙量时，河床上泥沙输送处于平衡状态，冲刷停止，水深为压缩冲刷水深。 若上游河床是不可冲刷的( 定床) ，随着流速增大冲走桥下河床泥沙，没有来自 上游的泥沙补充到桥下；直到冲刷增大、流速减小到长压缩段河床泥沙的不冲 刷流速时，冲刷方才停止。 动床压缩冲刷计算公式： ：= 斟博谢2 m 式中： h i 桥上游无压缩河段水深( m ) ； 级桥下冲刷后水深( m ) ； b 桥上游无压缩河段河槽宽( m ) ； 三桥下净宽( m ) ； 1 桥上游河床曼宁系数； ，z ，桥下河床曼宁系数； q 上游输送泥沙的河槽流量( m 3 s ) ； q 2 通过桥孔的流量( m 3 s ) ； k 。，k ：与河床泥沙运动状态有关的指数。 清水( 定床) 冲刷计算公式： 驴c 南 m 旧 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 式中g ，冲刷后桥下平均水深( m ) ； q 2 桥下河槽流量( m 3 s ) ； 桥下河槽底宽( m ) ； d 。床沙有效平均粒径( m ) 。 ( 2 ) 局部冲刷计算方法 桥墩局部冲刷范围不大，但现象复杂，历来受到学术界和工程界的重视。 在欧美国家也不例外。 1 ) 桥渡水力设计介绍的方法 该书给出根据不同水流状态和土质，选择不同公式的方法。对于圆柱墩， 这些公式是： 死= 1 1 7 u 0 6 2 b 0 。6 2 h 1 5 9 u 0 6 7 b 0 6 7 h ：= 1 1l 瑶。5 b 0 5 瓦= 1 8 h o o 7 5 b 玑7 5 吃= ( 0 5 1 0 ) h 。 式中： ( 1 - 1 7 ) ( 1 - 1 8 ) ( 1 - 1 9 ) ( 1 - 2 0 ) ( 1 - 2 1 ) 瓦圆柱墩局部冲刷深度( m ) ； 【厂墩前行近流速( m s ) ； b 墩宽( m ) ； 墩前行近水深( i t i ) 。 2 ) 桥梁水力学介绍的方法 桥梁水力学所给桥墩局部冲刷计算公式是理查森等人1 9 9 3 年推荐 的，既适用于清水冲刷又适用于动床冲刷的科罗拉多州立大学平衡冲刷深 度公式，即 h b = 2 0 k 善k _ ， ( 1 - 2 2 ) 式中： 吃行近流速等于床沙起动流速时的平衡冲刷深度( m ) ； 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 k 善墩形系数； k 五河床形态系数； k 口水流斜交系数； ，行近水流的弗洛德数。 1 2 1 3 国内的桥渡冲刷计算 公路工程水文勘测设计规范上介绍的桥渡一般冲刷和局部冲刷计算公 式为： ( 1 ) 非粘性土河床的一般冲刷计算公式 河槽部分 6 4 - 2 简化式： _ 乩隧厂l0 6 6 k 2 3 ， q 2 = 彘绯 一= 阿” 式中： h p 桥下一般冲刷后的最大水深( i n ) ； q 。频率为雕的设计流量( i t l 3 s ) ； q 2 桥下河槽部分通过的设计流量( 1 t 1 3 s ) ； q 。天然状态下河槽部分设计流量( m 3 s ) ； q t 。天然状态下桥下河滩部分设计流量( m 3 s ) ； 曰。桥长范围内的河槽宽度( 1 1 1 ) ； b 造床流量下的河槽宽度( 1 1 1 ) ； 五设计水位下，在b 。宽度范围内，桥墩阻水总面积与过水面积的比值； 桥墩水流侧向压缩系数； k 河槽最大水深( 1 t i ) ； 西南交通大学硕士研究生学位论文第1o 页 a 。单款流量集中系数； 日：造床流量下的河槽平均水深。 该公式是根据河槽输沙平衡原理建立的一般冲刷公式。 6 4 1 修正式： h p = 以黯 3 5 万6 式中： b d 河槽部分桥孔过水净宽( m ) ； h 桥下河槽平均水深( m ) ； d 河槽泥沙平均粒径( n 1 瑚) ； e 与汛期含沙量有关的系数。 该式是根据冲止流速建立起来的冲刷公式。 河滩部分 h p = q = 热鳞 式中： q l 桥下河滩部分通过的设计流量( r l 1 3i s ) ； k 桥下河滩最大水深( m ) ； 办阳桥下河滩平均水深( m ) ； 玩河滩部分桥孔净长( m ) ； ，河滩水深1 时非粘性土不冲刷流速( m s ) 。 2 ) 粘性土河床的一般冲刷计算公式 ( 1 - 2 4 ) ( 1 - 2 5 )v l i ，一 k一li肌浯i 盟型 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 按泥沙颗粒大小分类，一般认为粒径小于0 0 5r n m 的泥沙，属于粘性土； 粒径小于0 0 0 5 m m 的泥沙颗粒称为粘粒。按粘粒的质量含量不同，粘性土有分 为粘沙土、沙粘土和粘土。粘性土颗粒间存在粘结力，粘性土的抗冲能力决定 于粘结力的大小，粘结力越大，抗冲能力越强。 粘性土由于颗粒细且有黏结性、不均匀性与化学不稳定性，其冲刷计算不 同于散粒土。因问题过于复杂，目前对于粘性土壤河床一般冲刷深度的计算方 法，研究得还不够。作为粗略估算，可用粘性土不冲流速代替冲止流速进行计 算，冲止流速v ，引用了液性指数，作为反映抗冲能力的指标效果较好。 一般冲刷计算公式有： 河槽部分 h p = 老陪胪巧i 办田 3 式中： 以单宽流量集中系数； ，l 冲刷坑范围内粘性土液性指数。 河滩部分 h p = 3 ) 非粘性土河床桥墩局部冲刷计算公式 6 5 2 式： 瓤h b = k 手删w 0 ”( 警 挪 k b = k 善k , 7 2 删0 1 5 ( 警 啦 ( 1 - 2 6 ) ( 1 - 2 7 ) ( 1 - 2 8 ) ( 1 - 2 9 ) v l l ，一 k k 双面 彳 一 西南交通大学硕士研究生学位论文。第12 页 k 玎2 ：可0 0 0 2 3 + 0 3 7 5 d 。2 4 v o ：0 2 8 白+ 0 7 ) 0 5 圪= 0 ：1 2 ( d + 0 5 ) 0 5 5 铲( 圹州 式中： h b 桥墩局部冲刷深度( m ) 。 k 善墩形系数； b 。桥墩计算宽度( m ) ； 。一般冲刷后的最大水深( m ) 。 孑河床泥沙平均粒径( m m ) ； k r t 2 河床颗粒影响系数； y 一般冲刷后墩前行进流速( m s ) ； 圪河床泥沙起动流速( m s ) ； 吃墩前泥沙起冲流速( m s ) ； 刀2 指数。 6 5 1 修正式： 当矿h 。= k f k 叩。8 0 - 6 缈一攻) 当矿 驴碱砰6 帆“。r 业v o - v ； 叫专+ 专) 2 4 6 时1 4 忡6 2 n 0 6 虼 ( 1 - 3 0 ) ( 卜3 1 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 ，z ，= = ( 軎) 。2 5 孑。1 9 式中： k , l j 河床颗粒影响系数： 刀l 指数。 4 ) 粘性土河床桥墩局部冲刷计算公式 时，h h = o 8 3 k ；b , o 6 e 1 2 5 v 时，h o = o 5 5 k f b o 6 厅p o 1 掣矿 式中： l 冲刷坑范围内粘性土液性指数。 1 2 2 斜交桥冲刷计算的研究现状 ( 1 - 3 2 ) ( 卜3 3 ) 由上一节的分析可知，桥孔净长是桥渡冲刷的重要因素，并且上述计算公 式主要适用于桥轴线与河流正交的情况。在我国东北、华北、西北和西南地区 修建公路或铁路，受河流形态、路网和桥梁两端地形地貌的限制，桥位不得不 采用斜交布设方式。桥位斜交会带来与正交情况下不同的斜交效应，使得斜交 桥的冲刷计算方法中要考虑斜交角度的影响船，。 前苏联最早提出采用投影面积法进行斜交桥孔径计算，处理斜交角度影响 的基本思想是：将水中建筑物投影到垂直于水流断面上，而在顺直的河流上， 就是投影到正交断面上。当桥梁与河流斜交时，斜交角度越大，投影所占的面 积就越大，斜交角度大到一定程度，投影将占满正交过水断面；理论上桥下应 不过水，而实际上水流仍川流不息。显然无论多大角度的斜交桥，均投影到正 交断面的计算方法是不妥的引。另一种斜交桥冲刷计算的方法为斜交面积法n ， 该方法的基本思想是：不论斜交角度多大，都假设水流与桥轴线正交。这种方 法与实际显然有些偏差。 实际上水流通过斜交桥孔时流向会发生改变。我国科研工作者在研究斜交 桥水力特性时，考虑过水面积的投影或流速的投影计算有效过水面积或有效流 i ，j 5 2 2 一 一e一目 当 当 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 速。但与投影法不同的是，在计算桥下净过水面积时考虑水流通过斜交桥时流 向发生偏转，从而避免了投影法的矛盾。现行计算斜交桥的孔径时，我国规范 规定，当斜交角度较小时，采用投影面积法；当斜交角度较大时，采用考虑水 流流向偏转的方法：当斜交角度很大时，采用模型试验的方法。 王仁宽在研究斜交桥壅水时，通过7 4 场模型试验实测桥下流向线，分析归 纳得出：桥渡压缩愈凶，桥下流向改变愈大；斜交角度愈大，桥下流向改变愈 大n2 。李付军假设单柱桥墩的绕流流场可以按照一定的规律叠加，推导出圆柱 形墩斜交桥桥下水流流向偏转角度的计算公式，分析表明：斜交桥下的水流流 向偏转角度随斜交角度的增大先增大后减小，随压缩比的减小而增大口3 。 王仁宽和李付军分别通过实验和理论分析的方法得到了斜交桥下水流流向 偏转角度随斜交角和压缩比的变化规律，并且两人的结果有些差异。采用实验 的方法所得到的结果真实可信。然而，实验往往受到模型尺寸、流场扰动、人 身安全和测量精度的限制；此外，实验还会遇到经费投入、人力和物力的巨大 消耗。因此，通过实验的方法得到的结果会有些偏差。采用理论分析的方法的 优点在于所得到的结果具有普遍性，各种影响因素清晰可见。但是，它往往要 求对计算进行抽象和简化，这样就使得所得结果有一定的局限性。而c f d 方法 恰好克服了前面两种方法的缺点，在计算机上实现一个特定的计算，可以形象 地再现流动场景。本文采用数值模拟的方法研究斜交桥下水流流向偏转角的变 化规律，为斜交桥孔径的计算提供了参考，并为斜交桥的冲刷计算提供了新的 手段。 1 3 本文的主要研究内容与技术路线 正如前面所述，随着国民经济的发展和社会生产力水平的提高，需要在河 流上修建越来越多的桥梁。受地形、水文条件和线路走向的制约，许多桥梁的 桥位不得不设计成与河流斜交的形式，桥位斜交会带来与正交情况下不同的斜 交效应，使得斜交桥的冲刷计算方法中要考虑斜交角度的影响。 本论文通过分析当前国内外桥渡冲刷的计算公式，发现在计算斜交桥冲刷 深度时，公式中桥梁孔径的计算采用现有的投影面积法和斜交面积法都存在一 定的不足。实际上由于水流流过斜交桥时流向会发生一定的偏转，计算公式中 桥梁孔径的计算应当考虑水流流向偏转角度的影响。本文建立了桥渡二维流场 的数值模型，并利用f l u e n t 模拟了不同斜交角度、压缩比和水流流速情况下的 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 桥渡流场，得到了斜交桥下水流流向偏转角度随斜交角度、压缩比和水流流速 的变化规律。 1 3 1 研究目标 建立桥渡二维流场的数值模型，利用f l u e n t 软件模拟不同斜交角度、压缩 比和水流流速情况下的桥渡二维流场，得到斜交桥下水流流向偏转角度随斜交 角度、压缩比和水流流速的变化规律。 1 3 2 研究内容 通过分析当前国内外的桥渡冲刷计算公式及现有斜交桥冲刷计算方法，得 出现有斜交桥冲刷计算方法的不足；建立桥渡二维流场数值模型，利用f l u e n t 软件模拟分析斜交角度、水流流速和压缩比对斜交桥下水流流向偏转角度的影 响规律，为斜交桥孔径的计算提供参考，从而为斜交桥冲刷计算的研究提供了 新的手段。 1 3 3 研究方法、技术路线 1 课题拟采取的研究方法 本课题采用理论分析和数值模拟相结合的方式，通过资料调研，掌握斜交 桥冲刷的研究现状；理论分析计算斜交桥冲刷方法的不足。建立桥渡二维流场 数值模型，用f l u e n t 模拟分析斜交角度、压缩比和水流流速对斜交桥下水流流 向偏转角度的影响规律。 2 课题技术路线 本课题采用理论分析和数值模拟相结合的方式，首先通过资料调研，掌握 桥渡冲刷的研究现状；然后全面分析桥渡冲刷深度的影响因素，分析对比斜交 桥的冲刷计算方；建立桥渡二维流场数值模型，用f l u e n t 模拟分析斜交角度、 压缩比和水流流速对斜交桥下水流流向偏转角度的影响规律。 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 第2 章桥渡冲刷的机理 2 1 桥渡冲刷的种类 桥下河床冲刷是多种多样的，有河流自身的洪水冲刷( 天然冲刷) 、桥渡压 缩河流可能产生的压缩冲刷、桥墩台周围的局部冲刷等。通常将河流的天然冲 刷和桥渡压缩冲刷统称为桥渡一般冲刷。 建立在大坝下游一定距离内的桥渡，会在一定时期内受到大坝下泄低含沙 水流的清水冲刷；建立在两股水流交汇处的桥渡会受到汇流冲刷；如桥渡下游 临界断面的河床标高迅速下降、桥下游大堤溃决，产生的溯源冲刷有可能到达 桥下，这些冲刷也都属于一般冲刷。 通常所说的桥渡一般冲刷，指的是河流天然冲刷和桥渡压缩冲刷。大坝下 游的清水冲刷、汇流冲刷和溯源冲刷等，都作为个别问题处理。 根据河床上泥沙运动情况，桥墩台局部冲刷可分为清水局部冲刷和动床局 部冲刷。清水局部冲刷是桥上游水流流速小于河床泥沙起动流速，桥墩台产生 局部冲刷时，没有来自上游河床的泥沙进入局部冲刷坑，又称为定床局部冲刷。 动床冲刷是桥上游水流流速大于河床泥沙起动流速，桥墩台产生局部冲刷时， 有来自上游河床的泥沙进入局部冲刷坑h 1 。 2 2 桥渡冲刷的机理 2 2 1 桥渡一般冲刷 桥渡压缩河流，洪水时河道被拦阻部分的流量汇入桥下，使桥下水流流速 增大，冲刷河床。河床冲刷后，水深增大，流速降低，冲刷停止。与此同时， 桥渡压缩河流，减小桥下过水面积，使桥下水流均匀化。流速分布和单宽流量 分布均匀化，导致冲刷后河床上的水深也均匀化。 在河道稳定、河床泥沙组成一致、水流基本顺直的河段，水流作用在河床 上的剪应力与水深成正比，即： = o ( 2 1 ) 式中： 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 水流作用在河床面上的剪应力； 7 水的重率； h 水深； 以水流能坡。 这表明，桥下断面上，水深大的地方河床泥沙所受推移力大、运动快，水 深小的地方运动慢。 当流量很小、水深不大时，桥下河床断面上各部分泥沙皆处于静止状态。 随着流量上涨，水深增大。首先在水深最大部位，泥沙开始运动，产生冲刷， 河床下降。流量继续上涨，冲刷逐渐扩展到原来水深较浅的部位，而不是全河 床同时开始冲刷下降。与此同时，桥上游河床断面宽、流速小，而推移质输沙 率与流速的高次方成正比，因此，桥上游河床冲刷的发展滞后，只是在桥下河 床冲刷发展到一定规模后，桥上游河床才开始冲刷，有泥沙补给到桥下。 当水位达到最高、流量最大时，桥下最大水深部位河床的冲刷最为剧烈， 但随着冲刷水深的增大，流速减小，从桥下河床冲走的泥沙量也减小，直到这 减小的泥沙量等于由上游冲来的泥沙量时，桥下河床的冲刷也就停止了n 1 。 2 2 2 桥渡局部冲刷 在实验水槽的沙质河床上，放置一个模型桥墩。当水槽内的水流速度( 对 桥墩来说，称为行近流速) 很小时，墩周无冲刷现象。此时可视为明渠定床水 流，所不同者为多了一个桥墩。这时，在平面上产生主流绕墩而过的绕流现象。 在河床面上墩两侧肩部流线集中，局部流速加大，形成分离面，有一不大的吸 压区。 当行近流速略有增大时，开始在墩肩两侧产生吸压区，出现微小的吸走河 床面上泥沙的现象。随着流速增大，这微小的吸走泥沙的现象逐渐向上游墩头 中央和下游墩侧扩大，形成不大的冲刷。这种冲刷是由绕流作用产生的。从立 面上看，墩前壁的自由水面有微微的挤高。在墩前的河床面上，水流为桥墩所 阻，沿桥墩迎水面下降。下降水流遇到河床面，折而流向上游，在墩前河床面 上形成不大的旋滚。但由于流速低、旋滚小，尚不足以在墩头中央产生冲刷。 行近流速逐渐增大，旋滚也逐渐增大，并开始在墩头中央水流停滞点处产 生冲刷。旋滚为绕墩而过的水流带向下游，形成指向桥墩外侧旋转的涡带。涡 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 带状如马蹄，故又称马蹄形涡系。涡系在墩的两侧，汇入墩两侧分离面产生的 立轴漩涡系，向水面升起，并随水流流向下游，形成墩后尾流区的涡街。 行近流速继续增大，但仍小于河床泥沙的起动流速时，绕流引起的冲刷和 旋滚产生的冲刷连成一片，形成冲刷坑。随着水流强度增大，冲刷坑深度增大， 范围扩大，状如漏斗。与此同时，旋滚和马蹄形涡系尺度增加、强度增大，并 随着冲刷坑的扩大，旋滚落入坑底，对冲刷所起的作用也增大。相对来说，绕 流对冲刷所起的作用就很小了。 由于冲刷坑范围扩大，旋滚落入坑底，一部分来自上游的主流下弯落入坑 中，流向下游，形成对冲刷坑侧壁和后墙的冲刷和冲击，过坑主流还协助涡系 带走坑中冲起的泥沙。这时，对冲刷坑发展起主要作用的有旋滚、涡系和过坑 主流三个方面。 当行近流速等于河床泥沙的起动速度时，开始有来自上游河床面上的少量 泥沙落入局部冲刷坑内。当行近流速大于河床泥沙的起动流速后，落入坑中的 泥沙量增大，就有可能导致局部冲刷坑增大的速度减慢，但仍然缓慢地增大。 当上游河床面上出现沙浪，并进入冲刷坑时，局部冲刷坑大小的变化就有可能 与沙浪形态的变化同步，或感受到明显的影响n 1 。图2 - 1 是桥墩附近水流结构示 意图。 下 一蝴 、 一幽 、 图2 1 桥墩附近水流结构 桥墩冲刷和来流的含沙量有关。因为来流带来的泥沙有可能落入冲刷坑中， 在这种情况，则只有当落入坑中的泥沙量与由坑底掀起的泥沙量相等时，冲刷 才会达到相对平衡。所以桥墩的局部冲刷就有来流是清水或是浑水的差别。设 床沙的均匀流起动流速为v 0 ，当流速低于床沙的起动流速( v v o ) 时，墩上游河床面有泥 沙运动时，冲刷坑深度增大的过程中有来自上游河床面的泥沙补给。当来自上 游补给的泥沙量等于自冲刷坑内冲走的泥沙量时，冲刷达到平衡，冲刷坑的深 度也不再增加。这时，冲刷坑的深度称为动床平衡冲刷深度。 ， 霹 鬟 荟 是 i 圣隧l 图2 - 2 桥墩周围最人冲刷深度随时间的变化 2 3 桥渡冲刷的影响因素 影响桥渡冲刷的因素可以归纳为以下四个方面： 1 ) 流体特征因素：流体密度、流体运动粘度、重力加速度等； 2 ) 流动特征因素：水流速度、行近水流深度、弗劳德数、水流方向与墩轴 线的夹角等； 3 ) 河床质特征因素：泥沙密度、泥沙粒径、颗粒级配结构、土壤粘性等； 4 ) 桥墩特征因素：桥墩形状、桥墩计算宽度、桥孔净长等。 2 4 斜交桥冲刷计算方法比较 现行的一般冲刷和局部冲刷计算公式主要适用于水流方向与桥轴线正交的 桥梁，当桥轴线与水流方向斜交时，现行冲刷计算公式中的一些参数要考虑桥 轴线