橋墩紊流寬度研究綜述

林 姍，陳明棟，陳 明

(重慶交通大學(xué) 河海學(xué)院，重慶 400074)

近10年來，隨著國民經(jīng)濟(jì)和交通運(yùn)輸業(yè)的快速發(fā)展，我國開始大量建造跨江、跨海橋梁.橋墩建在航道中，干擾了天然的水流運(yùn)動(dòng)，會(huì)對航道的水動(dòng)力特性、泥沙運(yùn)動(dòng)特性等產(chǎn)生影響，并影響到建橋水域的河床演變和航道穩(wěn)定.橋墩附近存在不安全的航行區(qū)域，極易造成船舶航行事故.因此，開展橋墩紊流寬度研究，對指導(dǎo)橋梁設(shè)計(jì)、保障橋區(qū)通航安全具有重要意義.

1 橋墩周圍水流紊動(dòng)特性

研究橋墩周圍紊流特性的方法主要有物理模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬等.物理模型試驗(yàn)研究促進(jìn)了人們對橋墩繞流特征的認(rèn)識，研究成果十分具有代表性，為數(shù)學(xué)模型驗(yàn)證提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ).然而由于紊動(dòng)渦體的復(fù)雜性、模型縮尺效應(yīng)、儀器測量的精度問題，對于漩渦的觀察仍然無法全面透徹，還有待于研究手段的進(jìn)一步提高.數(shù)值模擬能夠更方便地得到紊流細(xì)節(jié)，有助于對繞墩紊流進(jìn)行更深入的機(jī)理分析.適用于繞流模擬的數(shù)學(xué)模型研究歷來受到重視，由二維發(fā)展到三維，各種不同的紊流模型和網(wǎng)格方法也都在繞流模擬中得到了應(yīng)用.橋墩局部繞流由于存在不規(guī)則的邊界和很強(qiáng)的回流，給數(shù)值模擬增加了困難.二維模型對水深平均的流場形態(tài)和流速分布的模擬能夠得到較好的結(jié)果，但由于繞流的強(qiáng)三維性和非恒定性，二維模型中無法考慮三維漩渦的影響.非恒定繞流模擬研究是今后的發(fā)展方向，但目前在橋墩紊流中使用較少.對局部繞流的模擬中較難準(zhǔn)確預(yù)報(bào)的是二次流以及紊動(dòng)，因此研究者們紛紛尋求各種改進(jìn)的κ－ε模型以提高回流模擬精度，目前三維模型仍然處于發(fā)展完善過程中.

圖1 橋墩附近水流結(jié)構(gòu)Fig.1 Flow structure around pier

根據(jù) H.N.C.Breusers等［1］繪制的橋墩附近水流結(jié)構(gòu)圖(圖1)，紊流區(qū)是一個(gè)復(fù)雜的綜合水流結(jié)構(gòu)，包括橋墩迎水面向下水流和兩側(cè)繞流在床面附近形成的馬蹄形漩渦，橋墩兩側(cè)邊界層分離產(chǎn)生的尾流漩渦以及在墩兩側(cè)和墩后由床面附近釋放的小漩渦.T.F.Kwan［2］采用氫氣泡技術(shù)對翼墻型橋墩局部流場進(jìn)行分析，其研究方法與H.N.C.Breusers等相似.W.H.Graf［3－4］等采用ADVP流速測量儀對圓柱繞流的三維流場進(jìn)行了詳細(xì)的測量，并根據(jù)流場計(jì)算了渦量場的分布，結(jié)果表明圓柱周圍存在一個(gè)馬蹄渦，底部伴隨著渦量為負(fù)的反向流.S.Dey和孫東坡等［5－7］使用ADV流速儀分析了橋墩周圍時(shí)均流速、雷諾應(yīng)力、紊流強(qiáng)度的分布情況.齊鄂榮等［8］采用PIV技術(shù)對繞過矩形突起建筑物的水流進(jìn)行了平面二維測量，得到了一些平面角渦生成和演化的規(guī)律.

B.Yulisitiyanto等［9］采用二維淺水方程求解圓柱繞流流場和自由水面波動(dòng)，模型中使用MacCormack格式來離散方程.耿艷芬等［10］采用無結(jié)構(gòu)的有限體積法，建立了平面二維淺水運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)模型，通過對橋墩形狀的準(zhǔn)確描述，模擬了橋墩局部流場以及橋墩的壅水情況.J.G.Duan［11］采用二維水動(dòng)力模型研究橋墩周圍流場及橋墩周圍剪應(yīng)力分布.I.Istiarto［12］采用標(biāo)準(zhǔn)k－ε紊流模型模擬了圓柱橋墩周圍的繞流，并與實(shí)測流場進(jìn)行了詳細(xì)的對比，發(fā)現(xiàn)計(jì)算的流速與實(shí)測值較為吻合，紊動(dòng)動(dòng)能的預(yù)測偏小.何國建等［13］用標(biāo)準(zhǔn)的kε紊流模型求解N－S方程得到三維流場，通過對運(yùn)動(dòng)方程的垂向平均積分得到求解水位的泊松方程，將該模型應(yīng)用到不同收縮比條件下橋墩的繞流壅水高度計(jì)算，得到了滿意的結(jié)果.L.Ge等［14－15］采用非恒定雷諾平均二維數(shù)學(xué)模型來模擬復(fù)雜橋梁墩臺的繞流流場，得到了大尺度的非恒定漩渦形態(tài)，并比較了最大剪切流速分布帶與最終沖刷床面的最大沖深帶，分析了垂向流速對最大沖深帶分布位置的影響.G.Kirkil等［16］采用大渦模擬研究了圓柱形橋墩周圍沖刷平衡時(shí)的地形情況，分析了橋墩周圍渦旋運(yùn)動(dòng)及床面剪應(yīng)力分布.孫東坡等［17］采用有限控制體積法對有攔沙壩的橋墩局部流場進(jìn)行了三維數(shù)值模擬，與ADV測速儀實(shí)測值進(jìn)行對比具有較好的吻合性，數(shù)值模擬結(jié)果符合橋墩局部流場的特征，并反映了橫軸環(huán)流的成因與強(qiáng)度，可以補(bǔ)充完善試驗(yàn)測量值.國內(nèi)一些學(xué)者［18－20］研究了橋墩群對河道水流的影響和橋墩理想液體繞流特性.

2 橋墩紊流寬度影響因素分析及計(jì)算

2.1 橋墩紊流寬度影響因素分析

(1)來流參數(shù) 影響橋墩紊流寬度的來流參數(shù)包括行近流速、行近水深和來流角度等，這些參數(shù)對于橋墩紊流寬度至關(guān)重要，其中行近流速對橋墩紊流寬度的影響最為顯著.祖小勇等［21］認(rèn)為橋墩對紊流強(qiáng)度的變化影響存在極值，極值大小和出現(xiàn)位置與流速有關(guān)，流速越大，極值越大，且極值位置與橋墩的距離也越大.胡旭躍等［22］通過試驗(yàn)研究得出紊流寬度隨水流弗勞德數(shù)的增加而近似線性加大.莊元［23］根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，認(rèn)為在其他條件相同的情況下，隨著行近水深的增大，橋墩紊流寬度增大.楊志軍等［24］認(rèn)為隨著橋墩與水流的夾角增大，橋墩兩側(cè)紊流呈不對稱分布，但總寬度基本上保持不變，而紊流區(qū)長度增大.祖小勇［21］認(rèn)為當(dāng)水流流向與橋墩軸線的法線方向交角大于5°后，橋墩兩側(cè)的通航影響寬度呈明顯的不對稱分布.李付軍等［18］指出斜交橋下的水流流向偏轉(zhuǎn)角度隨斜交角度的增大先增大后減小，其極大值隨壓縮比的減小而增大.

(2)橋墩參數(shù) 影響橋墩紊流寬度的橋墩參數(shù)主要包括橋墩尺寸、結(jié)構(gòu)形式、橋墩布置形式等.何國建等［13］認(rèn)為當(dāng)橋墩寬度較小，橋墩后形成大小、形狀相似的2個(gè)對稱漩渦，下游流線較順直，隨著橋墩寬度的加大，橋墩后面的漩渦逐漸趨于非對稱，并影響到下游流線，出現(xiàn)渦街.莊元［23］指出橋墩墩型應(yīng)盡量呈流線型，突變的結(jié)構(gòu)型式容易使水流離體從而形成較大尺度的漩渦，并通過引入墩型系數(shù)來考慮橋墩墩型對橋墩紊流寬度的影響.耿艷芬等［10］指出相對于斷面面積，橋墩的阻水面積對壅水高度和水流變化的影響較大.劉寶軍等［25］通過水槽試驗(yàn)得出異形橋墩在上下游橋墩之間，水流流態(tài)紊亂.許保華等［26］認(rèn)為樁基礎(chǔ)橋墩由于各樁柱之間透水對橋墩周圍水流流場的影響相對較小.

(3)橋墩沖刷 橋墩沖刷對橋墩紊流寬度影響較小，且橋墩沖刷主要發(fā)生在橋梁建設(shè)初期，其后沖淤漸趨平衡，橋墩紊流寬度改變也越來越小.實(shí)際橋梁建設(shè)中，橋墩墩周沖刷坑在施工階段已形成.房世龍［27］指出隨著沖刷的持續(xù)，橋墩周圍的下降水流、馬蹄形漩渦、表面旋滾和尾流漩渦都逐步發(fā)展，各方向上的紊動(dòng)強(qiáng)度也都逐漸增大，這是沖刷坑的出現(xiàn)和發(fā)展對水流的反作用.應(yīng)該選擇在沖刷開始之前及時(shí)采取保護(hù)措施，限制橋墩局部沖刷，以遏制橋墩周圍各種漩渦體系的發(fā)展.

2.2 橋墩紊流寬度計(jì)算

胡旭躍等［22］利用PIV技術(shù)測量了建橋河道中的二維水流流場，并根據(jù)水流表層渦漩情況確定橋墩紊流寬度，得到順直水槽單個(gè)圓柱形橋墩兩側(cè)水流表層渦漩區(qū)寬度與弗勞德數(shù)Fr(0.14～0.4)的相關(guān)關(guān)系.當(dāng)兩墩間距與橋墩寬度的比值不小于10時(shí)，橋墩間距對紊動(dòng)寬度影響甚小，按單個(gè)橋墩計(jì)算.

式中:B為紊流寬度;D為橋墩寬度;B/D為相對紊流寬度.

許保華等［26］通過水槽動(dòng)床模型試驗(yàn)，分析了多種結(jié)構(gòu)型式的橋墩在多種水流方向條件下的通航影響寬度，得到水流方向與橋墩軸線法線方向夾角β變化條件下的橋墩周圍單側(cè)通航影響寬度Ds的計(jì)算方法:

莊元［23］通過水槽定床和動(dòng)床試驗(yàn)進(jìn)行對比分析，分析了行近流速、行近水深、來流角度、橋墩尺寸、橋墩墩型和橋墩沖刷等因素對橋墩紊流寬度的影響，并認(rèn)為以定床模型試驗(yàn)成果作為橋墩紊流寬度的最終結(jié)果在一定程度上更加合理，函數(shù)關(guān)系表示為 E=0.88Ksv0.75b0.56h0.44，其中:E 為橋墩紊流總寬度(m);Ks為與橋墩形狀相關(guān)的系數(shù);v為墩前水流流速(m/s);b為墩形計(jì)算寬度(m);h為橋墩附近水深(m).對于圓柱墩和片狀墩:Ks=1.0;b即為橋墩寬度.對于圓頭墩:Ks=0.8;b=(墩長－墩寬)×sinα+墩寬;α為橋軸線與水流夾角.對于尖頭墩:Ks=0.66;b=(墩長－墩寬)×sinα+墩寬.對于方頭墩:Ks=1.2;b=(墩長×sinα +墩寬×cosα).該試驗(yàn)所測紊流寬度指墩尾紊動(dòng)寬度之和，比胡旭躍的試驗(yàn)結(jié)果［22］偏大.

何小花等［7］通過概化水槽試驗(yàn)，采用MicroADV流速儀測量瞬時(shí)流速，得到矩形橋墩周圍縱向、橫向和垂向時(shí)均流速和紊流強(qiáng)度的橫向分布，發(fā)現(xiàn)水下的紊流強(qiáng)度相對水面的紊流強(qiáng)度要大，同時(shí)認(rèn)為在確定通航不安全紊流范圍時(shí)，應(yīng)考慮水面以下渦漩運(yùn)動(dòng)更劇烈的區(qū)域;比較了有、無橋墩的時(shí)均流速和紊流強(qiáng)度橫向分布變化，得出橋墩對時(shí)均流速和紊流強(qiáng)度的影響幅度和范圍;另外給出了橋墩最大相對紊流寬度隨斷面平均流速U 的變化關(guān)系:(B/D)max=0.2241lnU+1.3286.

祖小勇［21］認(rèn)為橋墩對紊流強(qiáng)度的變化影響存在極值，極值大小和出現(xiàn)位置與流速有關(guān)，流速越大，極值越大，且極值位置與橋墩的距離也越大.根據(jù)極值出現(xiàn)位置離橋墩距離確定紊流寬度，即(X－D/2)作為紊流寬度 B，B/D 與 Fr的函數(shù)關(guān)系可表示為:(B/D)=3.9977Fr0.6.

從以上研究可以看出，對橋墩紊流寬度的研究還是有欠缺的，主要表現(xiàn)在:

(1)對于橋墩紊流寬度的定義各學(xué)者看法并不一致，一些學(xué)者以橋墩周圍表層水流為研究對象，借助示蹤劑及PIV技術(shù)來研究紊流寬度;也有學(xué)者以水面以下的水流為研究對象，使用ADV測量瞬時(shí)流速，并對比有墩無墩紊流強(qiáng)度的變化，確定矩形橋墩的紊流寬度.

(2)上述橋墩紊流寬度計(jì)算公式主要通過一些特殊的墩型進(jìn)行試驗(yàn)研究得出，對影響紊流寬度的主要因素考慮得不夠全面和具體，并且缺乏工程實(shí)例的驗(yàn)證，導(dǎo)致這些公式的使用范圍受到很大的限制.范平易［28］等基于數(shù)值模擬結(jié)果并利用胡旭躍與莊元總結(jié)的通航影響寬度公式，計(jì)算了蘇通大橋北橋墩的通航影響寬度，發(fā)現(xiàn)按二者的計(jì)算方法所得結(jié)果差別較大.

(3)目前橋墩紊流寬度的計(jì)算公式主要采用水槽試驗(yàn)研究數(shù)據(jù)，通過量綱分析的方法推導(dǎo)得出，方法比較單一，通過數(shù)學(xué)模型、船模試驗(yàn)等多種相結(jié)合的方法來確定橋墩紊流寬度的研究還比較少，今后應(yīng)加強(qiáng)這方面的研究.

3 橋墩紊流對通航凈寬的影響

《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》［29］中對過河建筑物的通航凈寬的加大值依照橫流的大小取值.《通航海輪橋梁通航標(biāo)準(zhǔn)》［30］中確定通航孔凈空寬度，是根據(jù)《海港總平面設(shè)計(jì)規(guī)范》中進(jìn)港航道的寬度，再乘以適當(dāng)?shù)臄U(kuò)大系數(shù)得出的.美國聯(lián)邦公路管理局依據(jù)船舶撞擊橋梁歷史記錄資料，從減小船舶撞擊橋梁的角度出發(fā)，建議新建橋梁橋跨橋墩位置距航道邊緣線不宜小于2或3倍墩寬.

楊斌等［31］指出大橋的通航凈寬應(yīng)扣除橋位不良流態(tài)區(qū)，橋梁墩臺宜盡可能遠(yuǎn)離航線.沈小雄等［32］從船舶和橋梁的安全考慮認(rèn)為應(yīng)將橋墩周圍的紊動(dòng)寬度作為航道邊線與橋墩之間的安全距離.楊志軍［24］根據(jù)船舶操縱性能，結(jié)合水流在彎道上的運(yùn)動(dòng)特性，提出影響航道寬度的因素，探討具有彎曲特性河道上橋梁通航所需要的寬度，指出航道寬度的確定還應(yīng)考慮流致偏航距、風(fēng)致偏移量和橋墩紊流寬度.彭鉅新［33］在確定通航凈寬的加寬值時(shí)指出，除了考慮墩柱附近出現(xiàn)的紊流、水流流向與航道軸線的夾角和橫向流速等因素外，還應(yīng)考慮因斜交導(dǎo)致的橋凈跨加寬的因素.

現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范對墩柱附近出現(xiàn)礙航紊流時(shí)通航孔的凈寬增加值考慮還不全面，為保證船舶航行安全，橋梁設(shè)計(jì)人員通常將過河建筑物的跨度加大，既增加了結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)難度，又增加了工程投資，開展橋墩紊流寬度對通航凈寬的影響研究在水運(yùn)、橋梁建設(shè)等方面有著重大現(xiàn)實(shí)意義.船舶經(jīng)過通航孔時(shí)遇到的險(xiǎn)流的產(chǎn)生實(shí)際上是船舶波、水流、橋墩等共同作用的結(jié)果，今后可進(jìn)一步研究橋墩與航道邊線安全距離及危害行船安全險(xiǎn)流產(chǎn)生的機(jī)理.

4 結(jié)語

許多研究者對各類橋墩紊流問題進(jìn)行過大量的研究，試驗(yàn)與理論研究增加了對橋墩紊流問題的理解.目前與橋墩紊流寬度計(jì)算相關(guān)的一些最基本參數(shù)的成果有很多，但由于問題的復(fù)雜性，還未形成統(tǒng)一的結(jié)論.

今后的研究，應(yīng)在試驗(yàn)觀察的基礎(chǔ)上，結(jié)合數(shù)學(xué)模型，綜合考慮多種影響因素，完善橋墩紊流寬度計(jì)算模型，對各參數(shù)進(jìn)行概念上的統(tǒng)一，方便研究者及工程設(shè)計(jì)人員對已有成果的深入研究與應(yīng)用.可從以下幾個(gè)方面加強(qiáng)研究:

(1)開展和加強(qiáng)橋墩紊流寬度的調(diào)研和大比尺模型試驗(yàn)研究.在此基礎(chǔ)上結(jié)合實(shí)船試驗(yàn)、理論分析、船模試驗(yàn)、數(shù)學(xué)模擬等方法，深入研究橋墩紊流寬度對通航凈寬的影響.

(2)目前，基于對橋區(qū)通航安全問題的考慮，越來越多的橋墩設(shè)置了防撞裝置，研究人員針對這些防撞裝置以及施工圍堰對橋區(qū)航道通航凈寬影響的研究還比較少.

(3)由于多方面因素的影響，橋墩沖刷過程中及沖刷平衡后，沖刷坑對橋墩周圍水流結(jié)構(gòu)影響的研究比較少，今后如能實(shí)現(xiàn)橋墩周圍全流場測量以及建立能夠模擬橋墩周圍局部沖刷動(dòng)態(tài)過程的數(shù)學(xué)模型，無疑有利于對橋墩紊流機(jī)理更透徹的理解.

(4)針對目前出現(xiàn)的橋群現(xiàn)象，開展上下游橋墩之間相互干擾和尾流相互作用下的紊流寬度研究對于橋梁建設(shè)以及通航安全有著重要的現(xiàn)實(shí)意義.

(5)處于庫區(qū)回水變動(dòng)區(qū)及感潮河段等復(fù)雜水域的橋墩，其周圍紊流寬度的研究也是將來的研究重點(diǎn).

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