一种多参数桥墩绕流阻力等效糙率经验概化方法技术

一种多参数桥墩绕流阻力等效糙率经验概化方法，基于桥梁墩柱基本绕流阻力特征，通过实测河道横断面流速数据、紊流数学模型柱体之间的遮蔽、干扰影响分析、引入单柱绕流阻力系数，单柱纵向遮蔽影响倍数、横向干扰影响倍数、流速比例系数、阻水面积折减系数以及水流与桥墩斜交系数若干参数，推算桥墩群总绕流阻力以及对应的总阻力系数，将桥墩群总绕流阻力转化到河床切应力上，推导获得对应的桥墩绕流阻力等效糙率。简化了密集桥梁河道整体一维水动力数学模型桥梁群的行洪影响分析，为今后桥梁群壅水经验公式的建立提供了基础，弥补了当前桥墩群总绕流阻力专用分析方法缺失的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种多参数桥墩绕流阻力等效糙率经验概化方法
本专利技术涉及一种概化方法，具体涉及一种多参数桥墩绕流阻力等效糙率经验概化方法。
技术介绍
桥梁密集河段，当上游桥梁处于下游桥梁的壅水范围之内时，它的壅水高度受下游桥梁的影响而增大，特别是对于坡降平缓的河道，壅水影响长度一般很大，多座桥梁的壅水影响值会因此产生叠加，对河道行洪形成迭代影响，因而，桥梁密集河段的桥梁间距、河道行洪流量的变化受到水行政主管部门的广泛关注。但是，桥梁涉河段阻水成因可能复杂多变，现行公路工程水文勘测设计规范(JTGC30-2002)、铁路工程水文勘测设计规范(TB10017-1999)等壅水计算经验公式,只适合阻水成因相对简单的条件，且一般不适合桥梁群壅水经验分析，限制了此类工程问题的经验解决。以相似理论为基础的物理模型和以数理方程为基础的数学模型在涉水桥梁工程建设中发挥了重要作用。但对物理模型试验而言，假设按1：100比尺缩制模型，即便是天然情况下桥墩壅水达到20cm，反映到模型上的壅水仅2mm，轻微的水面波动都有可能导致极大的测量误差。对于数学模型而言，如果桥墩数量特别大，工程区范围内计算网格将不得不布置非常密集，其结果必然导致计算网格数量巨大。若用河道尺度进行模拟分析，则无法体现出桥墩对水流的影响，加上一些桥梁河段阻水成因复杂，为此，从简化涉河桥梁群叠加防洪评价的角度出发，建立桥墩(群)绕流阻力等效糙率经验概化方法，将桥墩群的阻水效应用等效的河床糙率近似替代，使得密集桥梁河道整体一维水动力数学模型桥梁(群)叠加防洪影响的快速、有效分析成为可能。目前，在墩柱群绕流阻力计算和绕流阻力等效糙率概化中，以陈志昌和赵晓冬提出的高桩码头群桩等效糙率公式在国内应用最为广泛。他们利用床面切应力、谢才公式、曼宁公式联立推求绕流阻力等效糙率概化公式，公式中的墩柱群绕流阻力系数是其最重要的参数，主要根据早期Hoerner、Ball等人的墩柱绕流阻力试验资料，由单根柱的绕流阻力系数和两根柱不同间距排列下的纵向遮蔽影响系数、横向干扰影响系数计算。其中，1958年，Hoerner总结了过去一些学者的试验成果(主要为风洞试验，也包括极少量的水流试验)和自己的相关试验成果，绘制了雷诺数0.01～108范围内相对完整的单圆柱绕流阻力系数与雷诺数之间的关系曲线，同时，给出了雷诺数105时，风洞试验条件下两根柱顺水流纵向排列和垂直水流横向排列的群桩阻力特征。1974年，Ball为了研究Liverpool码头墩柱对Mersey河口泥沙淤积的影响，通过1.07m宽的水槽试验，运用气浮轴承测力系统，在流速≤0.3m/s、水深150mm～380mm条件下，按1：48比尺，实测了Liverpool模型码头的阻力系数，并根据柱体之间的遮蔽和干扰影响试验数据，将其试验成果修正到原型码头桩群的阻力系数。1980年，Ball等利用水槽试验，在雷诺数250～750范围内，对方形阵列的模型圆柱按不同来流方向、不同排列、不同间距进行了桩群阻力系数的测定。陈志昌和赵晓冬桥墩等效糙率计算公式如下：式中：nt+n为桥墩绕流阻力和河道糙率共同阻水作用下的一种综合等效糙率；H为水深(m)；D代表圆桩桩径或其他形状柱体迎水面宽度(m)；Δs为加糙区域河道长度；χ代表河道断面湿周长度(m)；g是重力加速度；n是河道糙率；ΣCd为墩柱群总阻力系数，其与墩柱形状、淹没程度、相对水深、墩柱群的横向及纵向遮流影响等因素有关，∑Cd＝k2m′Cd[1+k1(n′-1)],其中，m′、n′分别代表墩柱群垂直于水流方向的墩柱行数和沿水流方向的墩柱列数；k1、k2分别代表墩柱群顺水流方向的纵向遮蔽影响系数和垂直于水流方向的横向干扰系数；Cd是单根墩柱绕流阻力系数。该方法中最初是针对高桩码头桩群建立的，主要成果应用到模型码头和原型码头的数模、物模研究中，但高桩码头多顺岸式布置，与跨河桥梁的水动力条件存在明显差异，且桥墩布置和桥跨对其阻水影响显著，因此，该公式难以直接应用到桥墩等效糙率的推算中。此外，公式存在Cd取值难以决断的问题，按无限长单根墩柱绕流阻力系数Cd取值时，天然大雷诺数条件(>106)对应的圆柱Cd≈0.65、方柱Cd≈1.88，相对于有限长柱体，即“柱长/柱径”为有限值时，综合周华兴(Re＝4.0×104)、Farivar(Re＝0.7×105)的研究成果，柱长/柱径＝3～16，有限长圆柱Cd折减系数约为0.6～1.0，有限长方柱Cd折减系数约为0.7～1.0，若近似按此折减系数计算，对应的天然大雷诺数条件有限长圆柱Cd≈0.23～0.65，有限长方柱Cd≈1.32～1.88，相对于前者更小。若采用《公路桥涵设计通用规范》(JTGD60-2015)中规定的“圆形、方形阻力系数分别取0.8、1.5”，也与上述取值存在差异。最后，桥墩位置、例如处于河槽、滩地的不同，水流流速存在差异，淹没水深也不同，因而各个桥墩形成的绕流阻力必然存在差异，很难用公式中的∑Cd直接计算桥墩总绕流阻力系数，因此亟需一种新的技术方案来解决现有技术所面临的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种多参数桥墩绕流阻力等效糙率经验概化方法，其基于桥墩绕流阻力系数、墩柱分布形式和来流的差异性，引入了单柱纵向遮蔽影响倍数、横向干扰影响倍数、流速比例系数、阻水面积折减系数以及水流与桥墩斜交系数等多参数，建立了桥墩绕流阻力等效糙率经验概化方法，概化后的等效糙率简化了密集桥梁河道整体一维水动力数学模型桥梁群的行洪影响分析，同时，也为今后桥梁群壅水经验公式的建立提供了基础，也弥补了当前桥墩总绕流阻力专用分析方法缺失的问题。为实现上述目的，本专利技术的技术方案为：一种多参数桥墩绕流阻力等效糙率经验概化方法，所述方法中：步骤一，引入流速比例系数β，基于走航式多普勒流速剖面仪，获取不同河道横断面流速分布，统计分析河道主河槽或滩地流速u与河道断面平均流速的比例，步骤二，确定汛期不受遮蔽或干扰影响的单柱体绕流阻力系数Cd，根据《公路桥涵设计通用规范》(JTGD60-2015)取值；步骤三，引入阻水面积折减系数δ，设主桥墩迎水面宽度为D，河槽水深为H河槽，令AH＝DH河槽，所有桥墩的水下部分迎水面面积A按AH的不同比例进行折算，δ＝A/AH；步骤四，引入桥墩群的纵向遮蔽影响倍数α1和横向干扰影响倍数α2，基于单排圆桩顺水流纵向布置和单排圆桩横向水流布置下的紊流数学模型，分析顺水流方向纵向桩体的遮蔽影响倍数α1以及垂直水流方向横向桩体的干扰影响倍数α2；步骤五，引入斜交系数λ，部分桥墩与水流斜交增大其阻水效应，根据经验，夹角0°～15°时：对于圆形，λ取1.0～1.4；方形，λ取1.0～0.8；矩形(长/宽≥1.5)，λ取1.0～1.5；圆端形λ取1.0～2.0(长宽比较大时，应取大值)；步骤六，引入单柱绕流阻力系数Cd，单柱纵向遮蔽影响倍数α1、横向干扰影响倍数α2、流速比例系数β、阻水面积折减系数δ以及水流与桥墩斜交系数λ若干参数，获取桥墩群总绕流阻力F总以及对应的总阻力系数∑C′id；步骤七，将桥墩群总绕流阻力F总用河床切应力计算公式表达，获得对应的桥墩绕流阻力等效糙率。如上所述的多参数桥墩绕流阻力等效糙率经验概化方法，所述桥墩为方形、矩形本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多参数桥墩绕流阻力等效糙率经验概化方法，其特征在于：所述经验概化方法包括以下步骤：步骤一，引入流速比例系数β，基于走航式多普勒流速剖面仪，获取不同河道横断面流速分布，统计分析河道主河槽或滩地流速u与河道断面平均流速

【技术特征摘要】
1.一种多参数桥墩绕流阻力等效糙率经验概化方法，其特征在于：所述经验概化方法包括以下步骤：步骤一，引入流速比例系数β，基于走航式多普勒流速剖面仪，获取不同河道横断面流速分布，统计分析河道主河槽或滩地流速u与河道断面平均流速的比例，步骤二，确定汛期不受遮蔽或干扰影响的单柱体绕流阻力系数Cd，根据《公路桥涵设计通用规范》(JTGD60-2015)取值；步骤三，引入阻水面积折减系数δ，设主桥墩迎水面宽度为D，河槽水深为H河槽，令AH＝DH河槽，所有桥墩的水下部分迎水面面积A按AH的不同比例进行折算，δ＝A/AH；步骤四，引入桥墩群的纵向遮蔽影响倍数α1和横向干扰影响倍数α2，基于单排圆桩顺水流纵向布置和单排圆桩横向水流布置下的紊流数学模型，分析顺水流方向纵向桩体的遮蔽影响倍数α1以及垂直水流方向横向桩体的干扰影响倍数α2；步骤五，引入斜交系数λ，部分桥墩与水流斜交增大其阻水效应，当夹角0°～15°时：对于圆形桥墩，λ取1.0～1.4；方形桥墩，λ取1.0～0.8；长/宽≥1.5的矩形桥墩，λ取1.0～1.5；圆端形桥墩，λ取1.0～2.0；步骤六，引入单柱绕流阻力系数Cd，单柱纵向遮蔽影响倍数α1、横向干扰影响倍数α2、流速比例系数β、阻水面积折减系数δ以及水流与桥墩斜交系数λ若干参数，获取桥墩群总绕流阻力F总以及对应的总阻力系数∑Ci′d；步骤七，将桥墩群总绕流阻力F总用河床切应力计算公式表达，获得对应的桥墩绕流阻力等效糙率。2.根据权利要求1所述的一种多参数桥墩等效糙率经验概化方法，其特征在于：所述桥墩为方形、矩形、圆形或圆端形，方形、矩形、圆...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨星，钱钧，胡晓东，吴苏舒，翁松干，郭刘超，吴沛沛，徐季雄，李志清，肖鹏，尹子龙，
申请(专利权)人：江苏省水利科学研究院，
类型：发明
国别省市：江苏,32