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水 利 学 报

2021 年 10 月 SHUILI XUEBAO 第 52 卷 第 10 期

文章编号：0559-9350（2021）10-1174-09

冰盖下桥墩局部冲刷随时间变化的试验研究

王 军 ，李志颀 ，程铁杰 ，隋觉义 2
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（1. 合肥工业大学 土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009；
2. 加拿大北英属哥伦比亚大学 环境工程系，加拿大 乔治王子城）

摘要：在寒冷地区，河道中冰盖的存在会改变河道流速分布。与明流条件相比，冰盖条件下水流最大流速点会向
河床移动，加剧桥墩周围的局部冲刷。过度的局部冲刷会导致桥梁倒塌。基于水槽清水冲刷试验，对冰盖与明流
条件下圆柱型桥墩局部冲刷随时间的变化进行了研究，试验结果表明：冰盖下桥墩局部冲刷速率大于明流。平衡
冲刷深度比明流条件下的约大 12%，且冲刷平衡所需时间比明流条件下的要约大 10%。分析了水流强度与无量纲
冲刷深度的关系以及冰盖与明流条件下冲刷深度变化速率的差异，给出了冰盖下局部冲刷深度随时间变化的经验
方程，研究成果可供实际工程参考。
关键词：冰盖；局部冲刷；时间变化；冲刷深度；试验研究
中图分类号：TV143 文献标识码：A doi：10.13243/j.cnki.slxb.20201030

1 研究背景

桥墩局部冲刷一直是引起桥梁损坏的重要原因之一，许多学者和工程师们都对该问题非常关
注，他们基于水槽试验、现场实测数据分析 ［1-4］ 和数值模拟方法 ［5-6］ 对明流条件下桥墩附近的局部平衡
冲刷深度及冲刷坑范围进行了大量的研究，工程实践中，较为常用的桥墩局部冲刷深度计算公式有
［7］
美国公路桥梁设计规范的 HEC-18 公式 、《公路工程水文勘测设计规范》（JTG C30-2015）的 65-1 修正
［8］
式和 65-2 式 等等。
明流下的冲刷公式在寒区运用时有一定局限性，在北方寒冷地区，河流冬季常常形成封冻冰
盖，冰盖的出现使河流的湿周增加，改变了水流流速分布，加剧了桥墩附近的局部冲刷 ［9-10］ ，但冰盖
下的研究相对较少。Hains 等 ［11］ 进行了明流条件、固定冰盖条件和浮动冰盖条件下桥墩附近局部冲刷
的试验对比，试验表明冰盖条件下的冲刷深度最大时可比相应明流条件下高出 21％。Fu 等 ［12］ 使用真
冰进行了冰层堆积对倒虹吸上游影响的试验研究，研究发现，相比明流条件冰盖下的最大流速点更
靠近河床且近床流速更大，泥沙更易起动，研究结果说明冰盖下桥墩局部冲刷深度相对要大。Wu 等 ［13］
进行了明流与冰盖下半圆形桥台局部冲刷的试验研究，给出了边墩局部无量纲平衡冲刷深度的计算
形式。
天然河道的洪峰流量和冲刷程度会随时间发展而变化，因此，局部冲刷深度随时间变化的研究
［14］
也受到相关学者的关注。Melville 和 Chiew 进行了圆柱形桥墩局部冲刷深度随时间变化的试验研
究，认为当水深与墩径之比小于 6 时，水深不会影响平衡冲刷时间，并给出了平衡冲刷时间计算的经
［3］
验公式。高冬光等 按照桥台局部冲刷深度随时间的发展过程把局部冲刷深度发展过程划分为初始
段、发展段和平衡段三个阶段，初始阶段局部冲刷深度发展迅速，可达到最大冲刷深度值的 1/3 ~ 1/2，

收稿日期：2020-12-13；网络首发时间：2021-08-04
网络首发地址：http：/kns.cnki.net/kcms/detail/11.1882.TV.20210803.1318.002.html
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基金项目：国家重点研发计划项目（2018YFC1508401）；国家自然科学基金项目（51879065）
作者简介：王军（1962-），教授，主要从事河冰水力学研究。E-mail：junwanghfut@126.com
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