山區(qū)順直河段縱向橋流場試驗及數(shù)值模擬

發(fā)布時間：2020-11-13 04:28

　　西漢高速公路考慮到生態(tài)保護等因素,山區(qū)沿河路段多采用縱向橋方案代替高填方路堤。由于大量橋墩沿河布設(shè),導(dǎo)致出現(xiàn)了水流行洪不暢、基礎(chǔ)嚴(yán)重沖刷、樁身磨蝕等問題,這些對橋基的安全構(gòu)成巨大威脅。本文以西漢高速公路順直段縱向橋為依托,通過室內(nèi)模型試驗和基于FLUENT軟件數(shù)值模擬相結(jié)合的方式,研究山區(qū)順直河段縱向橋與水流斜交時流場的特征,主要針對橋墩組與水流呈約4°夾角時,在試驗段中布設(shè)跨徑分別為0.52m、0.8m、1.2m、1.6m、2m的雙幅橋墩時,對山區(qū)順直河段縱向橋流場展開研究。主要研究成果如下:(1)通過理論分析及實地調(diào)查,從自然因素、河流形態(tài)、路段形態(tài)、橋墩特征、橋墩組布設(shè)以及橋墩組與水流夾角等方面分析了各因素對水流形態(tài)特征的影響。(2)通過室內(nèi)定床模型試驗,研究了無橋墩時流場的特征,試驗結(jié)果表明:無橋墩流場水流在試驗段呈現(xiàn)為拋物線形。當(dāng)橋墩組存在時,改變了水流方向,迫使水流向無橋墩區(qū)域移動,這時右側(cè)邊壁和第一列橋墩之間水流呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢,左側(cè)邊壁和第四列橋墩之間水流流速呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢。(3)基于各工況角度接近4°,整體而言,橋墩的跨徑越小,橋墩的排數(shù)越多,則沿程的水深變化越大。(4)根據(jù)幾何比尺可得,當(dāng)橋梁標(biāo)準(zhǔn)跨徑為13m時,橋墩組之間影響大,橋墩組之間水流流速發(fā)生明顯的改變;當(dāng)橋梁標(biāo)準(zhǔn)跨徑為20m時,橋墩組之間有一定程度的影響;當(dāng)橋梁標(biāo)準(zhǔn)跨徑大于30m時,橋墩組之間相互影響幾乎不存在,可視為單排橋墩。(5)通過試驗和數(shù)值模擬結(jié)果對比,三種工況均吻合良好,模擬和試驗得到相似的結(jié)論,表明了FLUENT軟件對縱向橋流場模擬等問題有很好的適用性和可靠性。
【學(xué)位單位】：長安大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：U446.1
【部分圖文】：

卵石,礫石,路段,河床

2.1.1 西漢高速西漢高速公路屬于京昆高速公路在陜西省內(nèi)國道的重要路段，京昆高速是中國高公路網(wǎng)國道的主干線。西漢高速北起西安戶縣澇峪口，途經(jīng)戶縣、佛坪、漢臺、勉縣8 個縣區(qū)，南至漢中的勉縣元墩連接上在建的勉縣至寧強高速公路。路線主線全長258.65km，全線采用雙向四車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，根據(jù)地形條件分級設(shè)計行車速度~100km/h，路基寬度 20-26m，全封閉，全立交[40]。西漢高速公路部分路段位于秦巴山區(qū)，為減少對秦巴山區(qū)自然環(huán)境的破壞，以及最大幅度給予生態(tài)植被以保護，基于此理念提出了“生態(tài)選線”。即減少邊坡開挖，采用縱向橋梁形式代替?zhèn)鹘y(tǒng)填挖路基形式，以最大程度地減小公路建設(shè)對區(qū)域環(huán)境的壞。全線共建設(shè)橋梁約 720 座，其中該線上橋隧的比例超過 50%，通過實際考察可以現(xiàn)縱向橋梁段河床上布滿了大小不一的礫石、卵石以及水流攜帶的漂石，粒徑的大小0.01~2m 范圍內(nèi)，具體如下圖 2.1 所示。

第二章山區(qū)公路縱向橋段水流形態(tài)影響因素分析（2）橋墩順河道排列密集，會受到強烈的水流和推移質(zhì)共同作用。尤其是位于峽谷段，河道相對較窄、河床比降大，每逢汛期山區(qū)強降雨進而引發(fā)山洪，水流特別急，水流流速增大會加大對橋墩基礎(chǔ)沖刷，同時水中帶有較大的卵石和漂石，這些漂石會沿著水流方向撞擊橋墩，對橋梁安全構(gòu)成巨大威脅。通過現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)多處河段的縱向橋梁橋墩布置密集，橋墩已出現(xiàn)基礎(chǔ)嚴(yán)重沖刷、樁身沖擊、磨蝕的問題，如下圖 2.2、2.3、2.4、2.5 所示，如果不對水流形態(tài)進行研究，給予水流流速較大的位置合適的防護，隨著時間的積累，橋墩可能會因承載力不足而導(dǎo)致橋梁發(fā)生破壞。