新疆宽浅游荡型河段防护工程研究
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摘要
新疆的宽浅游荡型河段河床、河岸多为细沙土,水流多成集中的股流,股流方向摆动不定,有时与岸坡防护工程呈较大的交角甚至是横流,股流淘刷严重,冲刷深度很大。这就要求调治构造物防护工程基础理置有较大的深度。由于地质条件的限制,在这类河段上修建防护工程难度较大。
由于历史和地域的原因,以往对这类河段的研究较少,其防护工程的修建少有涉及到关于水沙运动、河流演变以及河势的控导等一系列整套的研究,因而成功的不多。本文采用理论分析、现场实测资料和室内试验相结合的方法,从新疆宽浅游荡型河段的一般特性出发,分析洪水成因、水沙规律,研究新疆宽浅游荡型河段的防护工程。结合工程实例,提出新疆麦盖提大桥调治工程防护结构形式,进行单桩、群桩绕流的阻力试验、动床模型设计以及十个方案的动床模型试验,得到以下结论;
(1)新疆的宽浅游荡性河段一般位于南疆地区。较大的宽浅游荡型河流有叶尔羌河、阿克苏河和塔里木河。而其中的宽浅游荡型河段分布在出山口以下的平原区,这些区域大多是自治区的灌溉农业和人口聚集区。麦盖提大桥桥位河段河床床沙较细,河身宽浅,主流摆动不定,河床变化迅速,中洪水时常出现“斜流、横流”,属于典型宽浅游荡型河段。
(2)单桩概化试验表明;单桩桩前冲刷深度和冲刷范围为;
(3)群桩概化试验表明;单排群桩桩间中心距超过3.5～4倍桩径,桩与桩之间的影响已经基本消失。单排群桩的绕流阻力系数、冲刷深度、冲刷范围与桩间距的关系分别为;
(4)多排桩作为防护结构,桩间距相同的情况下,桩的纵向排数越多,对水流的阻力就越大,效果就越好,桩前冲刷深度是随着桩的排数的增加而增加,冲刷范围随排数的增加而减少。
(5)麦盖提大桥桥台水毁模式为;当有一股45°～60°斜流顶冲左岸锥坡,一部分水流在桥台前形成平轴环流冲刷河床,形成冲刷坑,另一部分水流绕过桩,冲刷桩后的泥沙,当冲刷坑和桩后的泥沙冲到一定程度时,引道路堤垮塌,造成麦盖提大桥桥台水毁。麦盖提大桥水毁模拟的关键技术是来流条件、平轴环流以及模型沙的内摩擦角。
(6)麦盖提大桥水工模型采用长江天然沙作为模型沙,进行四种几何比尺(1;20、1;30、1;40、1;60)系列模型研究。从来流水力参数看,能达到休止角和冲刷坑的形态相似,满足系列模型的基本假设条件。模型模拟结果表明麦盖提大桥发生水毁时,左岸桥台前的最大冲刷坑深度为5.43m,其表面平均流速为1.76m,第四孔桩上60m的单宽流量为2.7m~3/s。
(7)由于新疆宽浅游荡型河段河床泥沙组成较细,地质条件较差,因而在这种河段上要采用直墙式悬喷注浆方案和斜坡式挡墙方案相当困难,这两个方案基本不可行。
(8)近距桩方案比远距桩方案效果更好。但近距桩距离桥台不能太远,以不超过6m为宜。新疆麦盖提叶尔羌河大桥的调治工程结构宜选用远近相结合的半封闭桥台桩方案。
Based on the investigation on wide and shallow wandering reach's flow and sediment motion features in Xinjiang, a structure of square pile is put forward for the protection work of this kind of reach. After systematic studying of single pile and multiple piles' circumfluential resistance of mobile bed, relations of pile's section geometry size, multiple piles array form and flow conditions to local scour depth and resistance coefficient are given. According to analysis of mobile bed design of wide and shallow wandering reach, series of river engineering model experiment are carried on, and the scour rules of Ye Erqiang River Bridge of Mai Gaiti which is looked as supporting project are found out. Finally, on the basis of mobile bed alternative experiments, two protection work design thoughtways of wide and shallow wandering reach are formed and the optimum protection structure of Ye Erqiang River Bridge of Mai Gaiti is offered.
由于历史和地域的原因,以往对这类河段的研究较少,其防护工程的修建少有涉及到关于水沙运动、河流演变以及河势的控导等一系列整套的研究,因而成功的不多。本文采用理论分析、现场实测资料和室内试验相结合的方法,从新疆宽浅游荡型河段的一般特性出发,分析洪水成因、水沙规律,研究新疆宽浅游荡型河段的防护工程。结合工程实例,提出新疆麦盖提大桥调治工程防护结构形式,进行单桩、群桩绕流的阻力试验、动床模型设计以及十个方案的动床模型试验,得到以下结论;
(1)新疆的宽浅游荡性河段一般位于南疆地区。较大的宽浅游荡型河流有叶尔羌河、阿克苏河和塔里木河。而其中的宽浅游荡型河段分布在出山口以下的平原区,这些区域大多是自治区的灌溉农业和人口聚集区。麦盖提大桥桥位河段河床床沙较细,河身宽浅,主流摆动不定,河床变化迅速,中洪水时常出现“斜流、横流”,属于典型宽浅游荡型河段。
(2)单桩概化试验表明;单桩桩前冲刷深度和冲刷范围为;
(3)群桩概化试验表明;单排群桩桩间中心距超过3.5～4倍桩径,桩与桩之间的影响已经基本消失。单排群桩的绕流阻力系数、冲刷深度、冲刷范围与桩间距的关系分别为;
(4)多排桩作为防护结构,桩间距相同的情况下,桩的纵向排数越多,对水流的阻力就越大,效果就越好,桩前冲刷深度是随着桩的排数的增加而增加,冲刷范围随排数的增加而减少。
(5)麦盖提大桥桥台水毁模式为;当有一股45°～60°斜流顶冲左岸锥坡,一部分水流在桥台前形成平轴环流冲刷河床,形成冲刷坑,另一部分水流绕过桩,冲刷桩后的泥沙,当冲刷坑和桩后的泥沙冲到一定程度时,引道路堤垮塌,造成麦盖提大桥桥台水毁。麦盖提大桥水毁模拟的关键技术是来流条件、平轴环流以及模型沙的内摩擦角。
(6)麦盖提大桥水工模型采用长江天然沙作为模型沙,进行四种几何比尺(1;20、1;30、1;40、1;60)系列模型研究。从来流水力参数看,能达到休止角和冲刷坑的形态相似,满足系列模型的基本假设条件。模型模拟结果表明麦盖提大桥发生水毁时,左岸桥台前的最大冲刷坑深度为5.43m,其表面平均流速为1.76m,第四孔桩上60m的单宽流量为2.7m~3/s。
(7)由于新疆宽浅游荡型河段河床泥沙组成较细,地质条件较差,因而在这种河段上要采用直墙式悬喷注浆方案和斜坡式挡墙方案相当困难,这两个方案基本不可行。
(8)近距桩方案比远距桩方案效果更好。但近距桩距离桥台不能太远,以不超过6m为宜。新疆麦盖提叶尔羌河大桥的调治工程结构宜选用远近相结合的半封闭桥台桩方案。
Based on the investigation on wide and shallow wandering reach's flow and sediment motion features in Xinjiang, a structure of square pile is put forward for the protection work of this kind of reach. After systematic studying of single pile and multiple piles' circumfluential resistance of mobile bed, relations of pile's section geometry size, multiple piles array form and flow conditions to local scour depth and resistance coefficient are given. According to analysis of mobile bed design of wide and shallow wandering reach, series of river engineering model experiment are carried on, and the scour rules of Ye Erqiang River Bridge of Mai Gaiti which is looked as supporting project are found out. Finally, on the basis of mobile bed alternative experiments, two protection work design thoughtways of wide and shallow wandering reach are formed and the optimum protection structure of Ye Erqiang River Bridge of Mai Gaiti is offered.
引文
[1]陈秀万著.洪水灾害损失评估系统—遥感与GPS系统研究.1999.2,P1-5.
[2]新疆维吾尔自治区公路学会.新疆1996年公路水毁论文集.1997.8.
[3]倪晋仁,马蔼乃.河流动力地貌学.北京;北京大学出版社,1998.
[4]钱宁,张仁,周志穗.河床演变学.北京;科学出版社,1987.
[5]王绍成,虞和莹.河流动力学.北京;人民交通出版社,1991.
[6]Leopold,L.B.,M.G.Wolman and J.P.Miller,Fluvial Processes in Geomorphology,W.H.Freeman and Co.,1964.
[7](美国)张海燕著.方铎等译.河流演变工程学.北京;科学出版社,1990.
[8]蒋焕章.公路水文勘测设计与水毁防治.北京;人民交通出版社,2001.7.
[9]薛立功.吉林省草原泡群地带桥位设计问题.东北公路,1983年第一期.
[10]尹学良.河型成因研究.水利学报,1993(1).
[11]王桂仙、翟大潜、段国红.黄河下游游荡型河道成因研究.1995年.
[12]谢鉴衡、刘建军、王双锋.冲积河流河型判数.1995年.
[13]倪晋仁.不同边界条件下河型成因的试验研究.清华大学博士学位论文.1989年.
[14]张红武等.不同冲积河流的模拟方法.I.G.U.亚太区域地理大会论文.1989年。
[15]胡一三、张红武、刘贵芝、王恺忱等.黄河下游游荡型河段河道整治.郑州;黄河水利出版社,1998.7.
[16]张红武、钟绍森、江恩惠等.黄河花园口至东坝头河段现状河床演变试验报告.黄科技第93024号,1993.
[17]方宗岱.浅水河流河床演变的斜河现象.方宗岱江河治理,1992年.
[18]徐福龄、胡一三.横河出险不可忽视.人民黄河,1983(3).
[19]李西宁、王银山.山东黄河河道发生横河、斜河的原因及其防御措施.人民黄河,1990(4).
[20]Flachsbart.O,Winddruck auf Gasbehalter.,Rep.Of AVA in Gottingen.,Ⅳth series.1932.134-138.
[21]Roshko.A.,Experiments on the flow past a circular cyclinder at very high Reynolds numbers.JFM 10.1961.345-356.
[22]Homann F.,Einfluss grosser Zahigkeit bei stromung um Zylinder Forschg.Ing.Wes.7.1936.1-10.
[23]章梓雄,董曾南.粘性流体力学.北京;清华大学出版社.1998.6.
[24]苏铭德,康钦军.压临界雷诺数下圆柱绕流的大涡模拟.力学学报.1999.1.
[25]Braza M,Chassaing P & Ha Mind H.,Numerical study and physical analysis of the pressure and velocity fields in the near wake of a circular cyclinder.J Fluid Mech,1986,165;79-130.
[26]Lu XY,Dalton C,Yhang JF.,Application of large eddy simulation to an oscillating flow past a circular cyclinder.Journal of Fluids Engineering,,Transactions of the ASME.1997,119(3);519-525.
[27]Sun X,Dalton C.,Application of two SGS models to flow pat a circular cyclinder.,American Society of Mechanical Engineers,Fluids Engineer Division(Publication)FED Turbulence in Complex Flows Proceedings of the 1994 International Mecanical Engineering Congress and Exposition,Nov 6-11 1994 V203 Chicago,IL,USA,Sponsorel by ASME New York NY USA.,p.21-29,FEDSDL.
[28]邵传平,鄂学全,王薇.圆柱尾流的绝对不稳定性.力学学报.1999.1 Vol 31(1).
[29]M.M.Zdravkvoich.Review of flow interference between two circular cyclinders in various arrangements[J],ASME Journal of Fluids Engineering.1977.99;618-633.
[30]卢家才,谢正武,林宗虎等.气液两相流横向冲刷圆柱表面压力分布研究.西安交通大学学报,1999,33(1);55-56.
[31]谢正武,林宗虎等.管间距对串联双圆柱表面压力分布特性的影响研究.应用力学学报.2000.9.Vol.17(3);58.
[32]廖俊,景思睿.高雷诺数下双圆柱绕流的数值模拟.水动力学研究与进展.2001-3.Ser.A.Vol(16).No.1.
[33]LEWIS R I.,Vortex Element Methods for Fluid Dynamic Analysis of Engineering System[M].,Cambridre University Press.,1991.
[34]BEARMAN P W,WADCOCK A J.,The interaction between a pair of circular cyclinder normal to a stream[J].,J.Fluid Mecn.,1973.6l;499-512.
[35]Sayer A.T.,Flow interence between these equipaced cyclinders when subjected to cross flow[J],Journal of wind Engineering and Industrial Aerodynamics,1987,26;1-19.
[36]徐有恒等,三圆柱绕流的时均压力分布和气动力[J],气动试验与测量控制,1993,7(2);18-25.
[37]顾志福,孙天风,三圆柱绕流的试验研究[J],空气动力学学报,2000,18(4);441-447.
[38]Lan K.,Cheung W.C.,Phenomena of vortex shedding and flowing interference of three cyclinders in different equilateral arrangements[J],Journal of Fluids Mechanics,1988,196;1-26.
[39]Tatsno M.et al,Effects of interference among three equidistantly arranged cyclinders in a uniform flow[J],Fluid Dynamics Research,1998,22;297-315.
[40]吴文权,流体绕流多个钝体不稳定分离流动数值仿真[J],华东工业大学学报,1997,19(3);1-8.
[41]Farrant T.,A cell boundary element method appliied to laminar vortex-shedding from arrays of cyclinders in various arrangements[J],Journal of fluids and structures.2000,14;375-402.
[42]张爱社,张陵,等边布置三圆柱绕流的数值分析,应用力学学报,2003.3,20(1).
[43]Helmut Scheuerlein.从当前研究水平评述恩格斯三十年代的治黄模型试验.第一次河流泥沙国际学术讨论会论文集.光华出版社,1980.
[44]黄委会水科所《黄河志》编辑组,《黄河花园口堵口模型试验》档案资料的校勘与整理,1986.
[45]李昌华,金德春.,河工模型试验.,人民交通出版社,1981.
[46]郑兆珍,挟沙河流模型试验定律之研究,天津大学,1953.
[47]钱宁,动床变态河工模型律,科学出版社,1957.
[48]窦国仁等,全沙模型相似率及设计实例,泥沙模型使用技术经验交流会论文.1978.
[49]张红武、江恩惠等,黄河高含沙洪水模型的相似率,郑州;河南科学技术出版社.1994.1.
[50]窦国仁、王国兵,小浪底枢纽泥沙模型设计验证试验报告,南科院研究报告,1991。
[51]屈孟浩,黄河动床模型相似原理及设计方法,黄科所科学研究论文集(第二集),河南科学技术出版社,1990.
[52]杨志达,输沙与河工,第一次河流泥沙国际学术讨论会论文集(中国·北京),光华出版社,1980.
[53]谢鉴衡,河流泥沙工程学,北京;水利出版社,1981.
[54]彭瑞善,周文浩,黄河下游花园口至黑岗口河段河道整治模型试验报告,水科院泥沙研究所报告,1988.
[55]朱鹏程,论变态动床河工模型及变率的影响,泥沙研究,1986(1).
[56]张红武等,不同河型冲积河流的模拟方法,I.G.U.亚太区域地理大会论文,1990.
[57]屈孟浩、王国栋,神朔线黄河桥水工模型试验,黄科院,1988.
[58]华国祥、郑文康,非牛顿流体流动相似律的研究,第一次全国泥石流会议论文,1979.
[59]白世录,漳卫新河下东王险工段河工模型试验,泥沙研究.1992(3),85-94.
[60]杨胜发,内流河宽浅变迁河段水沙运动规律研究,四川大学博士学位论文,2003.
[61]惠遇甲,王桂仙,河工模型试验,北京;水利水电出版社,1999.10.
[62](美)罗布.达文罗伊著,马元瑛译,微型水工模型技术在密西西比河工程中的应用,水利水电快报,2000.5.21(9)
[63]周津超.新疆水文预报现状.干旱区水文水水资源研究成果汇编.新疆大学出版社.1997,p16-17.
[64]张祥松、李念杰、由希尧、王万祥.新疆叶尔羌河冰川湖突发洪水研究[J].(中国科学)B辑,1989年11月,p29-33.
[65]王志超、陈亚宁、由希尧.新疆叶尔羌河突发性洪水初步研究[J].自然资源学报.1989年第一期,p26-30.
[66]徐厚福.对计算桥墩局部冲刷65—2原式与修正式的评估.华东公路,2001(2).
[67]Bruce W.Melville,Time scale of local scour at bridge piers,Journal of Hydraulic Engineering,January 1999.
[68]高东光.桥位设计.人民交通出版社.2000.
[69]吴持恭.水力学(上册).北京;高等教育出版社.1996.
[70]金德春.南京大桥基础施工沉井局部冲刷试验研究报告.南京水利科学研究院,1960.
[71]刘顺宽.用模型延伸法进行丹东电厂排水口冲刷形态及防护的试验研究.港口工程,1996年第2期.
[72]徐群.颐江二桥主桥墩局部冲刷试验研究.水利水运科学研究.1998年6月第2期.
[73]王英伟.漳河丁坝局部冲刷试验研究.水利部天津勘测设计研究院,2002年.
[74]陈稚聪.有压输水系统中用射流冲沙的系列模型试验研究.水利学报.2002年5月第5期.
[2]新疆维吾尔自治区公路学会.新疆1996年公路水毁论文集.1997.8.
[3]倪晋仁,马蔼乃.河流动力地貌学.北京;北京大学出版社,1998.
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[6]Leopold,L.B.,M.G.Wolman and J.P.Miller,Fluvial Processes in Geomorphology,W.H.Freeman and Co.,1964.
[7](美国)张海燕著.方铎等译.河流演变工程学.北京;科学出版社,1990.
[8]蒋焕章.公路水文勘测设计与水毁防治.北京;人民交通出版社,2001.7.
[9]薛立功.吉林省草原泡群地带桥位设计问题.东北公路,1983年第一期.
[10]尹学良.河型成因研究.水利学报,1993(1).
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[13]倪晋仁.不同边界条件下河型成因的试验研究.清华大学博士学位论文.1989年.
[14]张红武等.不同冲积河流的模拟方法.I.G.U.亚太区域地理大会论文.1989年。
[15]胡一三、张红武、刘贵芝、王恺忱等.黄河下游游荡型河段河道整治.郑州;黄河水利出版社,1998.7.
[16]张红武、钟绍森、江恩惠等.黄河花园口至东坝头河段现状河床演变试验报告.黄科技第93024号,1993.
[17]方宗岱.浅水河流河床演变的斜河现象.方宗岱江河治理,1992年.
[18]徐福龄、胡一三.横河出险不可忽视.人民黄河,1983(3).
[19]李西宁、王银山.山东黄河河道发生横河、斜河的原因及其防御措施.人民黄河,1990(4).
[20]Flachsbart.O,Winddruck auf Gasbehalter.,Rep.Of AVA in Gottingen.,Ⅳth series.1932.134-138.
[21]Roshko.A.,Experiments on the flow past a circular cyclinder at very high Reynolds numbers.JFM 10.1961.345-356.
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[25]Braza M,Chassaing P & Ha Mind H.,Numerical study and physical analysis of the pressure and velocity fields in the near wake of a circular cyclinder.J Fluid Mech,1986,165;79-130.
[26]Lu XY,Dalton C,Yhang JF.,Application of large eddy simulation to an oscillating flow past a circular cyclinder.Journal of Fluids Engineering,,Transactions of the ASME.1997,119(3);519-525.
[27]Sun X,Dalton C.,Application of two SGS models to flow pat a circular cyclinder.,American Society of Mechanical Engineers,Fluids Engineer Division(Publication)FED Turbulence in Complex Flows Proceedings of the 1994 International Mecanical Engineering Congress and Exposition,Nov 6-11 1994 V203 Chicago,IL,USA,Sponsorel by ASME New York NY USA.,p.21-29,FEDSDL.
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[37]顾志福,孙天风,三圆柱绕流的试验研究[J],空气动力学学报,2000,18(4);441-447.
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[39]Tatsno M.et al,Effects of interference among three equidistantly arranged cyclinders in a uniform flow[J],Fluid Dynamics Research,1998,22;297-315.
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[41]Farrant T.,A cell boundary element method appliied to laminar vortex-shedding from arrays of cyclinders in various arrangements[J],Journal of fluids and structures.2000,14;375-402.
[42]张爱社,张陵,等边布置三圆柱绕流的数值分析,应用力学学报,2003.3,20(1).
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[52]杨志达,输沙与河工,第一次河流泥沙国际学术讨论会论文集(中国·北京),光华出版社,1980.
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[60]杨胜发,内流河宽浅变迁河段水沙运动规律研究,四川大学博士学位论文,2003.
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[62](美)罗布.达文罗伊著,马元瑛译,微型水工模型技术在密西西比河工程中的应用,水利水电快报,2000.5.21(9)
[63]周津超.新疆水文预报现状.干旱区水文水水资源研究成果汇编.新疆大学出版社.1997,p16-17.
[64]张祥松、李念杰、由希尧、王万祥.新疆叶尔羌河冰川湖突发洪水研究[J].(中国科学)B辑,1989年11月,p29-33.
[65]王志超、陈亚宁、由希尧.新疆叶尔羌河突发性洪水初步研究[J].自然资源学报.1989年第一期,p26-30.
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[68]高东光.桥位设计.人民交通出版社.2000.
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