УДК 692.115

Локальный размыв в районе устоев мостов

Пономарев Николай Константинович – кандидат наук, доцент кафедры Инженерной академии департамента Строительства Российского университета дружбы народов им. Патриса Лумумбы

Зайцева Татьяна Николаевна – магистрант Российского университета дружбы народов им. Патриса Лумумбы

Аннотация: Обрушение мостов часто связывают с преобладающей эрозией вблизи опор моста. Точное определение максимальной глубины промывки вблизи опор моста необходимо для обеспечения безопасной и надежной конструкции моста. Явление локального размыва опор мостов может существенно различаться по сравнению с условиями открытого течения, в первую очередь из-за дополнительного препятствия, создаваемого наличием ледяного покрова. Исследования показали, что эрозия опор мостов более выражена при наличии льда. Распределение вертикальной скорости оказывает прямое влияние как на напряжение сдвига дна, так и на результирующую геометрию размыва в условиях, покрытых льдом. Целью данного исследования является анализ влияния потока через открытые каналы и условия закрытого потока на локальный процесс размыва вокруг полукруглых и квадратных абатментов мостовидного протеза.

Ключевые слова: мост, поток, устой моста, турбулентный поток, локальный размыв, эрозия.

Введение

Локальный размыв относится к эрозионному процессу, который возникает в результате изменений в непосредственной структуре потока, вызванных появлением препятствий внутри потока [1, 62]. Явление локального размыва, которое проявляется вблизи фундаментов мостов и морских платформ, представляет угрозу устойчивости этих фундаментов и может привести к обрушению основных конструкций. По мере увеличения глубины размыва в районе фундаментов происходит соответствующее уменьшение глубины заглубления устоев и опор мостов. Такое уменьшение глубины погружения напрямую связано с устойчивостью фундаментов мостов. Возникновение эрозии вблизи основания моста является широко наблюдаемым фактором, способствующим разрушению мостов, что приводит к существенным экономическим последствиям в глобальном масштабе. За последние три десятилетия произошло обрушение более тысячи мостов, причем в шестидесяти процентах случаев причиной этого считался размыв пирсов [3, 4]. Исследование, проведенное в 2010 году показало, что более 26 000 мостов в стране были признаны критическими для размыва [5].

В таких регионах, как Канада и другие северные районы, характеризующиеся холодным климатом, ледяной покров нередко сохраняется в течение шести месяцев. Сложное взаимодействие гидродинамических, механических и тепловых явлений в значительной степени способствует сложному характеру локальных размывов вблизи фундаментов мостов в периоды ледяного покрова [6]. Возникновение размыва обычно сопровождается наличием трех вихревых систем в районе устоя. На основании исследований [7], можно сделать вывод, что на образующуюся яму в первую очередь влияет значительный первичный вихрь и последующий нисходящий поток [8, 9, 10]. Первичный вихрь расширяется вниз по потоку за пределы упора и впоследствии рассеивает свои отличительные характеристики на определенном расстоянии. В месте, где абатмент встречается с областью ниже по течению, скорость потока увеличивается, что приводит к созданию локализованных завихрений, называемых вихревыми следами. Создание вихревых следов достигается за счет изоляции потока между верхней и нижней границами устоя [11]. 

Многими исследованиями было подтверждено, что сортировка отложений под ледяным покровом была более заметна в разных точках вокруг устоя [12]. 

Результаты исследования и их обсуждения

На рисунке 1а показано численное представление локального размыва, образовавшегося вокруг квадратного абатмента моста через 600 с, в течение которого глубина размыва достигла состояния равновесия. Обратите внимание, что разница во времени, необходимом для достижения равновесия между моделированием (600 с) и реальным экспериментом (24 часа), может быть связана с несколькими факторами, такими как моделирование, граничные условия, точность модели и начальные условия. Масштабирование и упрощение часто предполагают упрощение и уменьшение масштаба физической системы. Эти упрощения могут привести к более быстрому сходимости к равновесию. Реальные эксперименты подвержены воздействию широкого спектра сложных, неконтролируемых переменных, которые могут замедлить процесс. Граничные условия моделирования могут не полностью повторять реальные условия. Небольшие расхождения могут привести к разным скоростям достижения равновесия. Существенную роль играет точность самой имитационной модели. Если модель неточно отражает физические процессы и взаимодействия, она может давать результаты, отличающиеся от реальности. Начальные условия моделирования могли быть выбраны так, чтобы они приводили к более быстрой сходимости к равновесию. Напротив, реальный эксперимент мог начаться с условий, для стабилизации которых требуется больше времени. И наоборот, на рисунке 1b показано экспериментальное проявление локального размыва, образовавшегося вокруг квадратного устоя моста. Точка максимальной глубины размыва, как численно, так и экспериментально, наблюдалась в точке В, как показано на рисунке 1. Расчетная и экспериментальная глубины промывки в этом месте составили 65 мм. Эксперимент показал, что в этой конкретной области наблюдалось заметное присутствие турбулентности потока [13, 14].

image001

Рисунок 1. а) Смоделированные контуры возвышения дна вокруг квадратного устоя моста при t = 600 с в условиях открытого русла; (б) Контуры возвышения дна, измеренные в лабораторных условиях вокруг квадратного абатмента моста при потоке в открытом канале (направление потока слева направо).

Рисунок 2а иллюстрирует численное представление локального истирания, которое произошло вокруг абатмента полукруглого моста через 600 с, когда тяжесть истирания достигла состояния равновесия. С другой стороны, на рис. 2b представлено экспериментальное изображение местного размыва, образовавшегося вокруг полукруглого опорного моста. 2 показано, что максимальная глубина промывки составляет 14 мм, как это наблюдалось как при численном моделировании, так и при экспериментальном исследовании. Тем не менее, изменение максимальной глубины размыва и ее пространственного распределения можно объяснить сложной природой местных явлений размыва и условиями турбулентного потока выше по течению от опоры моста. Возникновение этого явления связывают с главным вихрем, зародившимся выше устоя (20). Несходство геометрии области размыва вверх и вниз по течению объясняется, прежде всего, наличием первичного вихря и вихревого следа вблизи устоя, а также их взаимным влиянием. Отверстие для размыва перед опорой моста в основном образовано первичным вихрем, который демонстрирует характеристики, аналогичные полуподковообразному вихрю, из-за использования только половины устоя [15, 16].

image002

Рисунок 2. а) Смоделированные контуры возвышения дна вокруг опоры полукруглого моста при t = 600 с в условиях открытого канала; (б) Контуры возвышения дна, измеренные в лабораторных условиях вокруг квадратного абатмента моста при потоке в открытом канале (направление потока слева направо).

В ходе исследований было замечено, что модель льда проявляла плавучесть на поверхности воды, что приводило к небольшим изменениям глубины с течением времени. Ввиду ограничений, налагаемых численной моделью, используемой для моделирования течения льда, в рамках численного моделирования необходимо было считать ледяной покров жестким. Когда ледяной покров остается неподвижным, ограничение площади поперечного сечения приводит к увеличению как скорости, так и скорости переноса наносов, тем самым интенсифицируя процесс локального размыва [17, 18]. Скорость переноса взвешенных и донных отложений ниже для льда, который способен плавать, по сравнению со льдом, который не способен плавать [19]. Хотя максимальная глубина размыва была одинаковой как для условий течения в открытом русле, так и для условий гладкого течения, покрытого льдом, картина размыва, наблюдаемая в последнем случае, более обширна.

image003

Рисунок 3. а) Моделируемые контуры поднятия дна вокруг квадратного устоя моста при t = 600 с в условиях плавного течения, покрытого льдом; б) Измеренные в лабораторных условиях контуры возвышений дна вокруг квадратного устоя моста в условиях гладкого, покрытого льдом потока [20].

Заключение

Полученные данные позволили получить ценную информацию об изучении закономерностей размыва, распределения турбулентной энергии и морфологических изменений. Максимальная глубина размыва квадратных абатментов моста наблюдается в верхнем углу абатмента, где он подвергается воздействию набегающего потока и испытывает самые высокие уровни турбулентной энергии. Хотя локальная картина размыва вблизи устоев моста остается постоянной независимо от покрытия потока, интенсивность турбулентной энергии и глубина размыва наиболее выражены в условиях неравномерности потока, вызванной ледяным покровом. По отношению к полукруглым устоям моста максимальная глубина размыва наблюдается в непосредственной близости от точки Е, что соответствует углу 75 градусов по отношению к направлению набегающего потока. В этом конкретном случае было замечено, что квадратный абатмент моста привел к большей глубине промывки по сравнению с полукруглым абатментом. Как экспериментальные исследования, так и численное моделирование демонстрируют устойчивую картину распределения турбулентной энергии, при этом наибольшая величина наблюдается при наличии неравномерных ледяных покровов. В этой статье в экспериментальном исследовании использовался искусственный пенополистирол. 

Список литературы

  1. Deng, L.; Cai, C.S. Bridge scour: Prediction, modeling, monitoring, and countermeasures.  Period. Struct. Des. Constr.2009, 15, 125-134.
  2. Foti, S.; Sabia, D. Influence of foundation scour on the dynamic response of an existing bridge.  Bridge Eng.2010, 16, 295-304.
  3. Zhu, S.; Levinson, D.M. Disruptions to transportation networks: A review. In Network Reliability in Practice; Springer: New York, NY, USA, 2012; pp. 5-20.
  4. Froehlich, D.C. Local scour at bridge abutments. In Proceedings of the 1989 National Conference on Hydraulic Engineering, New Orleans, LA, USA, 14–18 August 1989; pp. 13-18.
  5. Melville, B.W.; Chiew, Y.M. Time scale for local scour at bridge piers.  Hydraul. Eng.1999, 125, 59-65.
  6. Coleman, S.E. Clearwater local scour at complex piers.  Hydraul. Eng.2005, 131, 330-334.
  7. Dey, S.; Sarkar, A. Scour downstream of an apron due to submerged horizontal jets.  Hydraul. Eng.2006, 132, 246-257.
  8. Shen, H.T.; Yapa, P.D. Flow resistance of river ice cover.  Hydraul. Eng.1986, 112, 142-156.
  9. Kwan, R.T.; Melville, B.W. Local scour and flow measurements at bridge abutments.  Hydraul. Res.1994, 32, 661-673.
  10. Zabilansky, L.J.; White, K.D. Ice-cover effects on scour in narrow rivers. In Proceedings of the Third International Conference on Remediation of Contaminated Sediment, New Orleans, LA, USA, 11–14 February 2005; pp. 24-27.
  11. Wu, P.; Balachandar, R.; Sui, J. Local scour around bridge piers under ice-covered conditions.  Hydraul. Eng.2015, 142, 04015038.
  12. Wu, P.; Hirshfield, F.; Sui, J.Y. Local scour around bridge abutments under ice covered conditions-an experimental study.  J. Sediment. Res.2015, 30, 39–47. [Google Scholar] [CrossRef].
  13. Namaee, M.R.; Sui, J.; Wu, Y.; Linklater, N. Three-dimensional numerical simulation of local scour around circular side-by-side bridge piers with ice cover.  J. Civ. Eng.2021, 48, 1335–1353. [Google Scholar] [CrossRef]
  14. Toombes, L.; Chanson, H. Numerical limitations of hydraulic models. In Proceedings of the 34th IAHR World Congress, 33rd Hydrology and Water Resources Symposium and 10th Conference on Hydraulics in Water Engineering, Brisbane, Australia, 26 June–1 July 2011; pp. 2322–2329. [Google Scholar].
  15. Richardson, J.E.; Panchang, V.G. Three-dimensional simulation of scour-inducing flow at bridge piers.  Hydraul. Eng.1998, 124, 530–540. [Google Scholar] [CrossRef].
  16. Vasquez, J.A.; Walsh, B.W. CFD simulation of local scour in complex piers under tidal flow. In Proceedings of the 33rd IAHR Congress: Water Engineering for a Sustainable Environment, Vancouver, BC, Canada, 9–14 August 2009. [Google Scholar].
  17. Kim, H.S.; Nabi, M.; Kimura, I.; Shimizu, Y. Numerical investigation of local scour at two adjacent cylinders.  Water Resour.2014, 70, 131–147. [Google Scholar] [CrossRef].
  18. Dey, S.; Barbhuiya, A.K. Time variation of scour at abutments.  Hydraul. Eng.2005, 131, 11-23.
  19. Omara, H.; Elsayed, S.M.; Abdeelaal, G.M.; Abd-Elhamid, H.F.; Tawfik, A. Hydromorphological Numerical Model of the Local Scour Process Around Bridge Piers.  J. Sci. Eng.2019, 44, 4183–4199. [Google Scholar] [CrossRef].
  20. Hatton, K.A.; Foster, D.L.; Traykovski, P.; Smith, H.D. Numerical Simulations of the Flow and Sediment Transport Regimes Surrounding a Short Cylinder. IEEE J. Ocean. Eng.2007, 32, 249–259. [Google Scholar] [CrossRef].

Интересная статья? Поделись ей с другими: