一种河道桥梁基础局部防护方法及装置

1.本发明涉及一种河道桥梁基础局部防护方法及装置。


背景技术：

2.在河道修建桥梁基础墩，会改变墩周流场，形成复杂多变的三维流态，在墩前会形成下降流和马蹄形漩涡、墩后形成尾涡。马蹄形漩涡及尾涡增强了河床表面泥沙等物质的运输能力，从而在桥墩周围形成明显的局部冲刷坑，这将会使桥梁基础在河床底部土体中的有效嵌入深度变小，导致桩基础承载力下降，大大影响了桥梁的安全与稳定。墩前水流冲刷对桥梁安全和稳定的影响也就会更明显。


技术实现要素：

3.本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题。为此，本发明提出一种河道桥梁基础局部防护方法及装置，以期能够抵御河道水流的冲刷，减轻桥梁基础局部冲刷程度，提高桥梁基础安全性能。
4.为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
5.一种河道桥梁基础局部防护方法，自桥墩上部迎水侧至桥墩底部迎水侧，设置绕设于桥墩外围、内壁带有超疏水涂层的引导管道，自桥墩上部迎水侧迎着河道水流行进方向将桥墩上部的河道水流经所述引导管道引导至桥墩底部迎水侧，并以与桥墩底部的河道水流行进方向相垂直的方向朝上喷出，与河道行进水流在桥墩墩周引起局部冲刷的墩前下降水流相干扰，形成对墩前下降水流的水流结构的破坏，以及对墩前下降水流与马蹄形漩涡强度的减弱。
6.本发明同时提出了一种河道桥梁基础局部防护装置，其结构特点是：
7.整体位于河道水面线以下，绕设于桥墩外围，呈管道结构，包括依次相接、管段直径由大至小的入水段、导水段和出水段，管道内壁均涂设超疏水涂层；
8.所述入水段位于桥墩迎水侧上部，吊装在桥梁防撞装置下方，所处高度位置随桥梁防撞装置可调，迎向河道水流行进方向，伸出至桥墩迎水侧前方，首部为喇叭形管道，大口端朝前作为入水口，入水口上沿始终保持紧邻于上方的河道水面线；
9.所述出水段为固定构件，位于桥墩迎水侧底部，紧邻绕设于桥墩外围，末端部为朝上渐收、顶端形成小口的圆台形管道，位于桥墩迎水侧前方，所在高度临近于下方的河床，顶端小口作为出水口，出水方向朝上并垂直于河道水流行进方向；
10.所述导水段为固定构件，衔接于入水段与出水段之间，紧邻绕设桥墩并弯曲向下，用于将桥墩上部的河道水流引导至桥墩底部。
11.该河道桥梁基础局部防护装置的结构特点也在于：
12.所述超疏水涂层材料为聚四氟乙烯或纳米纤维。
13.所述入水段中设有一段柔性管道段。
14.所述入水段包括喇叭形管道以及与所述喇叭形管道的小口端可拆卸连接的柔性
管道段。
15.装置整体除喇叭形管道之外均是处于所述桥梁防撞装置所覆盖的下方区域。
16.所述桥梁防撞装置为自浮式复合材料桥梁防撞装置。
17.所述出水段包括圆台形管道以及过渡管道，所述过渡管道一端与圆台形管道的底端大口可拆卸连接，另一端绕设桥墩延伸至与所述导水段的底端可拆卸连接，之间平滑衔接。
18.所述入水段与出水段分处于桥墩的两侧，所述导水段自所述入水段的末端绕过桥墩背水侧，向下朝向出水段的首端延伸并相接，弯曲绕设于桥墩外围。
19.与已有技术相比，本发明有益效果体现在：
20.本发明基于水力学基本原理，通过将桥墩上部流速较大的河道水流引导至桥墩底部迎水侧，并以垂直于桥墩底部河道水流行进方向朝上喷出具有一定流速的水流，与河道行进水流在桥墩墩周引起的墩前下降水流相互冲击、干扰，达到了破坏墩前下降水流的水流结构、减弱墩前下降水流与马蹄形漩涡强度的效果，有效削减了桥墩周围漩涡体系紊动强度，减弱了桥梁基础局部冲刷的程度，提高了桥梁的稳定性与安全性，提供了一种较低成本、易于施工与维护、实用性强、有效可行的全新解决方案。
附图说明
21.图1是本发明的立体结构示意图；
22.图2是本发明的管道内部结构示意图；
23.图3是本发明的平面结构示意图；
24.图4是本发明的安装示意图。
25.图中：
26.1入水段；11喇叭形管道；12柔性管道段；13入水口；
27.2导水段；
28.3出水段；31过渡管道；32圆台形管道；33出水口；
29.4桥梁防撞装置；5吊杆；6超疏水涂层；7抱箍；8桥墩。
具体实施方式
30.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
31.本实施例提出了一种河道桥梁基础局部防护方法，该方法基于水力学基本原理，通过改变过流断面尺寸和减小水利损失等技术手段，将河道表层较高流速水流通过管道引至接近河床处，同时实现水平流动改为垂直向上流动，具体是：自桥墩8上部迎水侧至桥墩8底部迎水侧，设置绕设于桥墩8外围、内壁带有超疏水涂层6的引导管道，自桥墩8上部迎水侧迎着河道水流行进方向将桥墩8上部流速较大的河道水流经引导管道引导至桥墩8底部迎水侧，并以与桥墩8底部的河道水流行进方向相垂直的方向朝上喷出，与河道行进水流在桥墩8墩周引起局部冲刷的墩前下降水流相互冲击、相互干扰，形成对墩前下降水流的水流
结构的破坏，以及对墩前下降水流与马蹄形漩涡强度的减弱，从而达到桥墩8基础冲刷防护的目的。
32.请参照图1至图4，本实施例同时提出了一种用于实施上述方法的河道桥梁基础局部防护装置，整体位于河道水面线以下，绕设于桥墩8外围，呈管道结构，包括依次相接、管段直径由大至小的入水段1、导水段2和出水段3，管道内壁均涂设超疏水涂层6；
33.入水段1位于桥墩8迎水侧上部，通过吊杆5固定吊装在桥梁防撞装置4下方，所处高度位置随桥梁防撞装置4可调，迎向河道水流行进方向，伸出至桥墩8迎水侧前方，首部为喇叭形管道11，大口端朝前作为入水口13，入水口13上沿始终保持紧邻于上方的河道水面线；
34.出水段3为固定构件，位于桥墩8迎水侧底部，紧邻绕设于桥墩8外围，末端部为朝上渐收、顶端形成小口的圆台形管道32，位于桥墩8迎水侧前方，所在高度临近于下方的河床，顶端小口作为出水口33，出水方向朝上并垂直于河道水流行进方向；
35.导水段2为固定构件，衔接于入水段1与出水段3之间，紧邻绕设桥墩8并弯曲向下，用于将桥墩8上部的河道水流引导至桥墩8底部。
36.本装置实现的基本前提是使出水段3喷出的水流能够保证一定的出流速度，尽可能与墩前下降水流相互干扰抵消。但由于液体的粘滞性，在实际水流输送过程中不可避免的会产生水头损失，导致进入入水段1的水流在经过管道从出口段流出后，出流速度减小，影响装置的防护效果。
37.其中，假设进入入水段1的水流速度为v1，经出口段流出的水流速度为v2，桥墩8墩前下降水流流速为v3，为了达到防护目的，要保证在水流被引导的过程中，尽可能减少v1的速度损失，保证出流速度v2接近于v1，更好地达到干扰破坏墩前下降水流结构的效果。
38.根据不可压缩实际液体恒定总流的能量方程：
[0039][0040]
——测压管水头；
[0041]
——流速水头；
[0042]hw
——水头损失。
[0043]
根据能量方程式可知，为了保证装置的有效性，在整个装置的运行过程中要尽可能减小水流运输过程中产生的水头损失。
[0044]
水头损失的计算按以下公式：
[0045][0046][0047][0048]
hf——沿程水头损失，m；
[0049]
λ——沿程阻力系数；
[0050]
l——管道长度，m；
[0051]
d——管道计算内径，m；
[0052]
v——流速，m/s；
[0053]
g——重力加速度，m/s2；
[0054]
c——谢齐系数；
[0055]
r——断面水力半径，m；
[0056]
j——水力坡度；
[0057]
n——粗糙系数。
[0058]
根据上述公式可知，管道水头损失与管道内壁粗糙系数呈线性关系，通过在管道内壁涂装超疏水材料涂层，降低粗糙系数n，可以减少水流在管道内流动时产生的水头损失，一定程度上提高出流速度v2。
[0059]
因此，本装置在入水段1、导水段2和出水段3的内壁均涂设超疏水涂层6，超疏水涂层6材料可以采用聚四氟乙烯或纳米纤维，其目的是为减小水流流经管道时产生的水头损失。
[0060]
入水段1中设有一段塑料材质的柔性管道段12，具有一定协调变形能力。
[0061]
入水段1包括喇叭形管道11以及与喇叭形管道11的小口端可拆卸连接的塑料材质的柔性管道段12。
[0062]
装置整体除喇叭形管道11之外均是处于桥梁防撞装置4所覆盖的下方区域，避免减小桥梁通航孔面积，保证桥梁通航孔的通航需要。
[0063]
桥梁防撞装置4为自浮式复合材料桥梁防撞装置4，利用内部的多个浮筒结构，提高桥梁防撞装置4的浮力，保证其在水平面上下浮动。河道桥梁基础局部防护装置则依托桥梁防撞装置4实现在不同水位条件下的使用，保证防护效果。
[0064]
出水段3利用抱箍7固装在桥墩8外表面，以保证出水位置不变，同时避免受河道水流冲击而造成较大位移影响防护效果，出水段3包括圆台形管道32以及过渡管道31，过渡管道31一端与圆台形管道32的底端大口可拆卸连接，另一端绕设桥墩8延伸至与导水段2的底端可拆卸连接，之间平滑衔接。
[0065]
入水段1与出水段3分处于桥墩8的两侧，导水段2利用抱箍7固装在桥墩8外表面，避免受水流冲击造成较大位移而影响防护效果，导水段2自入水段1的柔性管道段12的末端绕过桥墩8背水侧，向下朝向出水段3的首端延伸并相接，弯曲绕设于桥墩8外围，管段整体较陡。
[0066]
工作原理：
[0067]
桥墩8上部的河道水流经喇叭形管道11进入入水段1，流经柔性管道段12后经导水段2朝下向出水段3输送，流经过渡管道31最后经圆台形管道32顶端的出水口33喷出。其中，入水段1的喇叭形管道11的结构增大了入水段1的过水断面面积，有助于提高过水流量，柔性管道段12可变形，使入水段1所处高度位置能够随桥梁防撞装置4在一定高度范围内可调，以适应不同水位条件下的桥墩8冲刷防护。出水段3的圆台形管道32的过水断面面积顺着水流方向不断减小，在一定程度上可提高出水水流速度，使自出水段3喷出的水流能够保证一定的出流速度，以尽可能地与墩前下降水流相互干扰抵消。
[0068]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本
发明的范围由权利要求及其等同物限定。