水利工程論文-拋石體在橋墩處的防護(hù)作用摘要：雖然拋石體是橋墩處抵抗沖刷最為普遍的應(yīng)用方法，但對(duì)活動(dòng)河床條件下拋石的性能目前幾乎還沒有什么研究。在本文中，對(duì)破壞機(jī)理、穩(wěn)定性，以及拋石體鋪設(shè)水平所起的作用都進(jìn)行了試驗(yàn)研究。在清水條件下，拋石體主要遭受剪切，簸和邊緣破壞。活水條件下，由于河床構(gòu)造的發(fā)展變化造成的不穩(wěn)定性成為非常重要的方面。河床構(gòu)成形式造成的不穩(wěn)定性受到橋墩處的河槽形式變化帶來的不穩(wěn)定因素的影響。試驗(yàn)用于估測(cè)在一個(gè)大范圍的水流條件下，拋石對(duì)橋墩能起到怎樣的作用。對(duì)在沉積河床的深處鋪設(shè)拋石層，而非河床床面鋪設(shè)拋石的作用也進(jìn)行了研究.關(guān)鍵詞：拋石體橋墩處防護(hù)作用1.前言在多數(shù)河流環(huán)境中，沖刷孔圍繞橋墩基礎(chǔ)形成。由于橋墩導(dǎo)致的強(qiáng)大的旋渦運(yùn)動(dòng)沖走了橋墩基礎(chǔ)周圍的河床沉積物。最普遍應(yīng)用的抗浸蝕作用技術(shù)是采用給河床“鎧甲”裝置，如拋石。以拋石充當(dāng)自然屏障來承受水流的沖蝕力。奇沃(1995)和奇沃利姆(2000)曾提出，拋石體的防護(hù)性受到某些破壞機(jī)理的影響，這些破壞機(jī)理可以使石料不穩(wěn)定，并導(dǎo)致保護(hù)面的完全裂變。在清水條件下，下列破壞機(jī)理可能發(fā)生：（1）剪切破壞拋石體被水流卷走；（2）簸破壞在紊流和滲流作用下，較細(xì)的下部河床物質(zhì)遭到侵蝕；（3）邊緣破壞拋石層外圍護(hù)石造成沖刷。Chiew，Lim(2000)確立了一個(gè)第4破壞機(jī)理，在活動(dòng)河床條件下，拋石層由于河床的運(yùn)動(dòng)而不穩(wěn)定。隨著大型沙丘的遷移，拋石層由于淘刷的作用而沉入河床沉積物中。常常有這樣的建議，在波浪形的河床上，拋石層應(yīng)該被鋪設(shè)在河床物質(zhì)的某個(gè)深度。其合理性在于較深的層可以不受河床形式運(yùn)動(dòng)的影響，和被淘刷的機(jī)會(huì)。目前為止，還沒有嘗試對(duì)其作用進(jìn)行量化的研究。目前的研究目的，就是要證實(shí)不穩(wěn)定性對(duì)河床橋墩拋石體的影響，以及估測(cè)拋石層鋪設(shè)水平所產(chǎn)生的影響。試驗(yàn)采用圓柱體橋墩，在兩個(gè)不同尺寸的活動(dòng)河床條件下進(jìn)行，用沙丘和逆沙丘模仿沉積運(yùn)動(dòng)。根據(jù)對(duì)當(dāng)前設(shè)計(jì)方案的審查，每一層拋石圍橋墩鋪設(shè)呈園形排列。對(duì)于一般性平整河床，在4個(gè)不同的深度做拋石層試驗(yàn)。對(duì)每一層的最終鋪設(shè)位置和水流速度加以關(guān)注并與未受保護(hù)的沖刷深度進(jìn)行比較。2.試驗(yàn)程序試驗(yàn)在2個(gè)寬度分別為0.44m和1.52m的可循環(huán)試驗(yàn)水槽進(jìn)行。丙烯酸圓形橋墩直徑分別為70mm和200mm。兩個(gè)水槽都采用均勻的河床沉積物，中值粒徑d50=0.95mm，拋石材料在0.44m寬度的水槽，采用S1、S2、S3和S6表示。S5、S4用于1.52m寬的水槽。石料的中值粒徑D50，以及其特性，示于表1。Shields函數(shù)用于計(jì)算臨界應(yīng)力速度UC。加注下腳標(biāo)S（即：UC）表示河床沉積物，加注下腳標(biāo)r表示拋石。拋石采用同心設(shè)置，圍橋墩，采用直徑4D的平均面積C，和2D50的層厚度t。4個(gè)不同的鋪設(shè)深度為：YD0，0.29，0.57，0.86，其中Y等于最上面的拋石體深度位置。拋石體、橋墩和沉積排列定義草圖請(qǐng)見圖1。(表1河床沉積和拋石特性)在一定流速范圍內(nèi)觀察拋石層的反應(yīng)，臨界近似流速在0.44m寬的河槽內(nèi)為：UUcs=0.61-3.10,在1.52m寬度河槽內(nèi)為UUcs=1.48-2.26。在0.44m寬度河槽的水流范圍內(nèi)可以觀察到沙丘和逆沙丘形成。在穩(wěn)定，近似均勻水流條件下進(jìn)行試驗(yàn)。表2列出的是在這項(xiàng)研究中的全部試驗(yàn)條件及結(jié)果。(圖1拋石體定義草圖)3拋石對(duì)河床形式的反應(yīng)3.1破壞機(jī)理表面鋪設(shè)拋石層河床形態(tài)的運(yùn)動(dòng)經(jīng)過橋墩導(dǎo)致橋墩處河床面的波動(dòng)。這樣的波動(dòng)使橋墩拋石變得不穩(wěn)定。拋的運(yùn)動(dòng)有兩種形式。如果河床比拋石層底部深，那么拋石會(huì)掏槽并滑入河槽區(qū)域，可能會(huì)被埋入一個(gè)深度。一旦石料被移走，底部沉積物造成的簸增加，相鄰的石料產(chǎn)生更大的移動(dòng)。當(dāng)河床波動(dòng)，接近橋墩時(shí)，短期內(nèi)可以導(dǎo)致高紊流、高剪應(yīng)力。拋石體可能會(huì)被沖走，沖至橋墩被水處。由河床形式變化產(chǎn)生的不穩(wěn)定性破壞過程示于圖2。(圖河床構(gòu)造的不穩(wěn)定破壞過程)對(duì)于埋置形式的機(jī)理，經(jīng)河床的最低河槽位對(duì)拋石層的沉陷具有最大的影響。如果橋墩下游的河床形式逐漸加深，石層會(huì)繼續(xù)下沉。特殊水流條件下的最深河槽，其最大深度處的拋石下沉（陷）的情況可以確定。最大河床深度的水流速度是拋石層發(fā)生最大沉陷的條件。其中具有最高剪應(yīng)力的拋石尺寸是非常重要的。小尺寸石料S1破壞的相對(duì)流速較低UUcs。河槽形態(tài)造成紊流的地方破壞速度快，成批地被沖走，導(dǎo)致拋石層的快速崩解。Chiew，Lim(2000年)曾提到過在沉積條件下拋石對(duì)水流的反應(yīng)變化。埋入情況的差別在于拋石料與河床物質(zhì)之比的大小，從而發(fā)生不同的反應(yīng)。根據(jù)Chiew，Lim(2000)的理論，對(duì)于拋石料尺寸的研究，應(yīng)該具有足夠大的尺寸，以應(yīng)對(duì)埋置的情況，而不會(huì)發(fā)生拋石層的瓦解。研究的結(jié)果在很大程度上支持這樣的結(jié)論：在全部的水流速試驗(yàn)中，除S1石料以外，所有的石料都沉入河床沉積物中。在較高的流速情況下，河槽的剪應(yīng)力接近于石料的臨界剪應(yīng)力，有部分石料的確是由于剪力而移動(dòng)，而埋入河槽底部。S1拋石石料D507.8mm，基于Chiew和Lim(2000)標(biāo)準(zhǔn)，臨界剪切速度的大小相似于河床物質(zhì)。如上所述，S1石料的UUcs值比其它所有的拋石試驗(yàn)尺寸低時(shí)受到破壞。其原因，可能是這個(gè)特殊尺寸的石料對(duì)破壞機(jī)理更具敏感性。3.2拋石對(duì)水流速的反應(yīng)表面鋪設(shè)層當(dāng)受到上述提到的4種形式之一或以外更多情況影響時(shí)，拋石仍然能夠?qū)蚨仗峁┮欢ǖ谋Ｗo(hù)作用，比未受保護(hù)的橋墩降低了局部的沖刷深度。對(duì)6種拋石石料尺寸逐一進(jìn)行了試驗(yàn)。通過量測(cè)試驗(yàn)后的沖刷結(jié)果，比較未受保護(hù)的沖刷深度值。未受保護(hù)的沖刷深度，用測(cè)深聲納在上游橋墩處進(jìn)行量測(cè)，確定為試驗(yàn)時(shí)段內(nèi)，上游橋墩處的最大沖刷深度，相對(duì)于平均沉積河床水平。由于拋石層的設(shè)置，沖刷深度作為在橋墩上游面最低拋石位置的垂直變化進(jìn)行了量測(cè)。拋石層鋪設(shè)面試驗(yàn)結(jié)果示于圖3。相對(duì)局部沖刷深度（dr/dsmax）,dr為受到保護(hù)的橋墩局部沖刷深度，dsmax為未受保護(hù)橋墩的最大局部沖刷深度。U/Ucs為相對(duì)流速。還包括L1和L2的數(shù)據(jù)組，經(jīng)過選擇的數(shù)據(jù)作為試驗(yàn)結(jié)果的典型