[发明专利]一种多参数桥墩绕流阻力等效糙率经验概化方法

说明书

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。

技术领域

本发明涉及一种概化方法，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。

背景技术

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(JTG C30-2002)、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：