留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

变截面方形桥墩折冲效果数值模拟

闫杰超 陈靖 徐华 贾恩实 陆杨

闫杰超,陈靖,徐华,等. 变截面方形桥墩折冲效果数值模拟[J]. 水利水运工程学报,2022(2):68-74. doi:  10.12170/20210311001
引用本文: 闫杰超,陈靖,徐华,等. 变截面方形桥墩折冲效果数值模拟[J]. 水利水运工程学报,2022(2):68-74. doi:  10.12170/20210311001
(YAN Jiechao, CHEN Jing, XU Hua, et al. Numerical simulation of effect of reducing erosion aroundsquare piers with variable section[J]. Hydro-Science and Engineering, 2022(2): 68-74. (in Chinese)) doi:  10.12170/20210311001
Citation: (YAN Jiechao, CHEN Jing, XU Hua, et al. Numerical simulation of effect of reducing erosion aroundsquare piers with variable section[J]. Hydro-Science and Engineering, 2022(2): 68-74. (in Chinese)) doi:  10.12170/20210311001

变截面方形桥墩折冲效果数值模拟

doi: 10.12170/20210311001
基金项目: 国家重点研发计划资助项目(2017YFC0405206);中国中铁股份有限公司科研项目(2019-重大-07)
详细信息
    作者简介:

    闫杰超(1989—),男,河南新乡人,工程师,硕士,主要从事涉河建筑物水沙动力数值模拟研究。E-mail:799971729@qq.com

  • 中图分类号: U442.3+2

Numerical simulation of effect of reducing erosion aroundsquare piers with variable section

  • 摘要: 为研究方形桥墩截面变化对局部冲刷特性的影响,通过建立桥墩局部冲刷三维数学模型,对方墩前端不同伸出台阶宽度及相应倾斜坡度情况下的冲刷特性展开模拟研究。结果表明:相较于方墩,墩前伸出一定台阶宽度的结构形式具有较好的折冲效果,但其折冲效果并非随着伸出宽度的增加而增加,墩前伸出台阶宽度约在墩宽的2/3时折冲效果最优;同时,通过在伸出台阶宽度基础上增加倾斜坡面的截面优化处理,得出倾斜坡面高度在床面以上0.4hh为水深)情况下,随着台阶伸出宽度的增加其折冲效果呈增加趋势,且具有比仅伸出台阶宽度的截面结构形式更优越的折冲效果,最大折冲率高达38%。研究结果可为桥墩结构形式与抗冲防护的综合研究,尤其是大型桥墩基础结构的优化提供参考。
  • 图  1  变截面方形桥墩模型示意

    Figure  1.  Sketch of variable section square pier model

    图  2  方形桥墩平面局部冲淤变化实测结果(下)与数值模拟(上)对比(单位:cm)

    Figure  2.  Comparison of plane results of local erosion and deposition changes around square pier in experiment (below) and numerical simulation (above) (unit: cm)

    图  3  方形桥墩局部冲淤深度实测结果与数值模拟对比

    Figure  3.  Comparison between the experimental results and numerical simulation of local erosion and deposition depth of square piers

    图  4  方形桥墩局部平面冲淤变化分布(run1)

    Figure  4.  Variation distribution in plane of local erosion and deposition of square piers (run1)

    图  5  不同伸出宽度台阶方形桥墩局部冲刷深度变化

    Figure  5.  Local scour depth changes of stepped square piers with different protruding widths

    图  6  不同伸出宽度台阶方形桥墩局部冲淤变化分布

    Figure  6.  Variation distribution of local erosion and deposition of stepped square piers with different protruding widths

    图  7  不同伸出宽度斜坡台阶方形桥墩局部冲刷深度变化

    Figure  7.  Local scour depth changes of square piers with slope steps with different protruding widths

    图  8  不同伸出宽度斜坡台阶方形桥墩局部冲淤变化分布

    Figure  8.  Variation distribution of local erosion and deposition around square piers with slope steps with different protrusion widths

    图  9  不同伸出宽度台阶方形桥墩折冲率

    Figure  9.  Reduction ratio of square piers with different protruding widths

    图  10  不同伸出宽度斜坡台阶方形桥墩折冲率

    Figure  10.  Reduction ratio of square piers with slope steps with different protruding widths

    表  1  模拟工况设置

    Table  1.   Setting of simulated working conditions

    工况流速/(m·s−1水深/m伸出宽度/m斜坡高度/m
    run10.250.18600
    run20.250.186$b$/30
    run30.250.1862$b$/30
    run40.250.1861.0$b$0
    run50.250.186$b$/30.4$h$
    run60.250.1862$b$/30.4$h$
    run70.250.1861.0$b$0.4$h$
    下载: 导出CSV
  • [1] CHIEW Y M. Scour protection at bridge piers[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 1992, 118(9): 1260-1269. doi:  10.1061/(ASCE)0733-9429(1992)118:9(1260)
    [2] 周建华. 苏通大桥北引桥桥墩冲刷防护方案研究[J]. 现代交通技术,2017,14(6):30-33. (ZHOU Jianhua. Study on local scouring protection scheme around the North Approach Bridge pier of sutong bridge[J]. Modern Transportation Technology, 2017, 14(6): 30-33. (in Chinese) doi:  10.3969/j.issn.1672-9889.2017.06.009
    [3] JOHNSON P A, NIEZGODA S L. Risk-based method for selecting bridge scour countermeasures[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2004, 130(2): 121-128. doi:  10.1061/(ASCE)0733-9429(2004)130:2(121)
    [4] 陈述, 李雨晨, 许慧, 等. 长江下游河段桥墩压缩冲刷预测研究[J]. 水利水运工程学报,2019(3):16-24. (CHEN Shu, LI Yuchen, XU Hui, et al. Prediction of bridge pier compression scour in lower reaches of Yangtze River[J]. Hydro-Science and Engineering, 2019(3): 16-24. (in Chinese)
    [5] 王金权, 李最森, 沈翔, 等. 杭州湾跨海大桥海中平台区海床冲刷特性[J]. 水利水运工程学报,2021(3):103-110. (WANG Jinquan, LI Zuisen, SHEN Xiang, et al. Characteristics of seabed scouring around sea platform of Hangzhou Bay Sea-Crossing Bridge[J]. Hydro-Science and Engineering, 2021(3): 103-110. (in Chinese)
    [6] 杨元平, 张芝永, 李最森, 等. 跨海桥梁基础冲刷特征研究[J]. 水利水运工程学报,2021(4):131-137. (YANG Yuanping, ZHANG Zhiyong, LI Zuisen, et al. Scour features of sea-crossing bridge piers[J]. Hydro-Science and Engineering, 2021(4): 131-137. (in Chinese)
    [7] SUMER B M. Mathematical modelling of scour: a review[J]. Journal of Hydraulic Research, 2007, 45(6): 723-735. doi:  10.1080/00221686.2007.9521811
    [8] 秦顺全, 谭国宏, 陆勤丰, 等. 超大沉井基础设计及下沉方法研究[J]. 桥梁建设,2020,50(5):1-9. (QIN Shunquan, TAN Guohong, LU Qinfeng, et al. Research on design and sinking methods for super-large caisson foundation[J]. Bridge Construction, 2020, 50(5): 1-9. (in Chinese) doi:  10.3969/j.issn.1003-4722.2020.05.001
    [9] 闻云呈, 王晓航, 夏云峰, 等. 深水桥梁台阶式沉井基础局部冲刷特性研究[J]. 海洋工程,2021,39(2):62-69. (WEN Yuncheng, WANG Xiaohang, XIA Yunfeng, et al. Study on scour characteristics of stepped open caisson of deep water foundations for bridge[J]. The Ocean Engineering, 2021, 39(2): 62-69. (in Chinese)
    [10] 蒋焕章. 桥墩局部冲刷防护试验研究[J]. 公路,1994(8):1-8. (JIANG Huanzhang. Experimental research on the bridge pier against local scour[J]. Highway, 1994(8): 1-8. (in Chinese)
    [11] LU J Y, SHI Z Z, HONG J H, et al. Temporal variation of scour depth at nonuniform cylindrical piers[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2011, 137(1): 45-56. doi:  10.1061/(ASCE)HY.1943-7900.0000272
    [12] BREUSERS H N C, NICOLLET G, SHEN H W. Local scour around cylindrical piers[J]. Journal of Hydraulic Research, 1977, 15(3): 211-252. doi:  10.1080/00221687709499645
    [13] 王迪荣. 变截面桥墩局部冲刷的确定[J]. 国外公路,1984(2):18-20. (WANG Dirong. Determination of local scour of bridge piers with variable section[J]. Foreign Highway, 1984(2): 18-20. (in Chinese)
    [14] KHOSRONEJAD A, KANG S, SOTIROPOULOS F. Experimental and computational investigation of local scour around bridge piers[J]. Advances in Water Resources, 2012, 37: 73-85. doi:  10.1016/j.advwatres.2011.09.013
    [15] 吉鸿敏, 张新燕, 朱德兰. 单圆柱桥墩冲刷的三维数值模拟[J]. 中国农村水利水电,2015(11):152-155, 160. (JI Hongmin, ZHANG Xinyan, ZHU Delan. A numerical simulation of three-dimensional flow around a circular cylinder using Flow-3D software[J]. China Rural Water and Hydropower, 2015(11): 152-155, 160. (in Chinese)
    [16] FOX B, FEURICH R. CFD analysis of local scour at bridge piers[C]∥Federal Interagency Sedimentation and Hydrologic Modeling Conference. Nevada: Sedhyd, 2019.
    [17] NIELSEN P. Coastal bottom boundary layers and sediment transport[M]. Singapore: World Scientific, 1992.
    [18] SOULSBY R L, WHITEHOUSE R J S. Threshold of sediment motion in coastal environments[C]∥Proceedings of the Pacific Coasts and Ports’ 97: Proceedings of the 13th Australasian Coastal and Ocean Engineering Conference and the 6th Australasian Port and Harbour Conference. Christchurch: Centre for Advanced Engineering, University of Canterbury, 1997: 145-150.
    [19] GROVER N C, HARRINGTON A W. Stream flow measurements, records and their uses[M]. New York: Dover Publication, Inc., 1966.
    [20] DEMETRIUS D R. Bridge pier scour in tidal environments[D]. Maryland: University of Maryland, 2006.
    [21] LI J Z, QI M L, FUHRMAN D R, et al. Influence of turbulent horseshoe vortex and associated bed shear stress on sediment transport in front of a cylinder[J]. Experimental Thermal and Fluid Science, 2018, 97: 444-457. doi:  10.1016/j.expthermflusci.2018.05.008
    [22] 陈启刚, 齐梅兰, 李金钊. 明渠柱体上游马蹄涡的运动学特征研究[J]. 水利学报,2016,47(2):158-164. (CHEN Qigang, QI Meilan, LI Jinzhao. Kinematic characteristics of horseshoe vortex upstream of circular cylinders in open channel flow[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2016, 47(2): 158-164. (in Chinese)
  • [1] 李登松, 唐金波, 金鑫, 漆力健, 戴光清, 龚月婷.  进占方式对戗堤局部冲刷影响的三维数值模拟 . 水利水运工程学报, 2022, (): 1-10. doi: 10.12170/20210309004
    [2] 杨元平, 张芝永, 李最森, 曾剑, 韩佳楠, 陈刚.  跨海桥梁基础冲刷特征研究 . 水利水运工程学报, 2021, (4): 131-137. doi: 10.12170/20210105002
    [3] 戚蓝, 曾庆达, 吉顺文.  天然河道丁坝群局部冲刷三维数值模拟 . 水利水运工程学报, 2020, (1): 59-65. doi: 10.12170/20180920001
    [4] 汪加梁, 杨绿峰, 余波.  圆形截面混凝土中氯离子时变扩散解析模型 . 水利水运工程学报, 2019, (5): 76-84. doi: 10.16198/j.cnki.1009-640X.2019.05.010
    [5] 陈述, 李雨晨, 许慧, 尚倩倩, 陈梓偲.  长江下游河段桥墩压缩冲刷预测研究 . 水利水运工程学报, 2019, (3): 16-24. doi: 10.16198/j.cnki.1009-640X.2019.03.003
    [6] 程永舟, 吕行, 王文森, 黄筱云, 夏波.  波流作用下淹没圆柱局部冲深影响因素分析 . 水利水运工程学报, 2019, (6): 69-76. doi: 10.16198/j.cnki.1009-640X.2019.06.008
    [7] 蒋建平, 陈文杰, 杨栓.  局部冲刷对部分埋入单桩水平承载性状的影响 . 水利水运工程学报, 2017, (3): 64-70. doi: 10.16198/j.cnki.1009-640X.2017.03.009
    [8] 王祚, 牟献友, 李春江, 田剑浩.  不同流量下环翼型防冲板结构优化试验 . 水利水运工程学报, 2015, (2): 44-49.
    [9] 祁一鸣, 陆培东, 曾成杰, 陈可锋.  海上风电桩基局部冲刷试验研究 . 水利水运工程学报, 2015, (6): 60-67.
    [10] 吴福生, 阮仕平, 冯新权.  龙潭沟水库溢流坝泄洪消能局部冲刷试验研究 . 水利水运工程学报, 2014, (1): 62-69.
    [11] 丁晶晶, 陆彦, 陆永军.  透水框架在改进丁坝结构型式上的应用 . 水利水运工程学报, 2014, (6): 30-38.
    [12] 倪志辉, 王明会, 张绪进.  潮流作用下复合桥墩局部冲刷研究 . 水利水运工程学报, 2013, (2): 45-51.
    [13] 曾成杰,陆培东,王艳红,陈可峰.  洋口港LNG码头栈桥沿程桩基局部冲刷分析 . 水利水运工程学报, 2012, (5): 18-23.
    [14] 张新燕,吕宏兴,沈波.  圆柱桥墩局部冲刷机理试验研究 . 水利水运工程学报, 2012, (2): 34-41.
    [15] 张林,程琳,孙东坡,张先起.  铁路斜交桥对河道行洪的影响及对策 . 水利水运工程学报, 2012, (1): 36-42.
    [16] 高正荣,卢中一.  长大桥梁深水超大型沉井基础施工成套关键技术研究——获2010年度中国公路学会科学技术奖特等奖 . 水利水运工程学报, 2011, (3): -.
    [17] 吴门伍,严黎,陈立,熊洪,周家俞,陈荣力.  武汉天兴洲公铁两用桥2#浮运围堰施工期局部冲刷试验研究 . 水利水运工程学报, 2007, (3): 26-32.
    [18] 韩玉芳,陈志昌.  丁坝回流长度的变化 . 水利水运工程学报, 2004, (3): 33-36.
    [19] 徐群,李浩麟.  瓯江二桥主桥墩局部冲刷试验研究 . 水利水运工程学报, 1998, (2): -.
    [20] 施振兴.  用淹没度控制和计算消能戽的局部冲刷 . 水利水运工程学报, 1986, (2): -.
  • 加载中
图(10) / 表 (1)
计量
  • 文章访问数:  159
  • HTML全文浏览量:  52
  • PDF下载量:  20
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2021-03-11
  • 网络出版日期:  2021-11-26
  • 刊出日期:  2022-04-15

/

返回文章
返回