名山橋局部沖刷二維數(shù)值計(jì)算分析和防護(hù)研究

李東風(fēng)，張紅武，謝華偉，歐 劍，陶愛強(qiáng)，張繼原

(1.浙江水利水電專科學(xué)校，浙江 杭州 310018;2.清華大學(xué)水利水電工程系，北京 100084;3.縉云縣水利局，浙江 縉云 321400)

0 引言

對(duì)大橋橋墩水流局部沖刷坑深度和范圍的研究、對(duì)大橋局部沖刷防護(hù)措施的研究對(duì)大橋的設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理至關(guān)重要.研究的方法主要由河流數(shù)學(xué)模型、物理模型、經(jīng)驗(yàn)公式和實(shí)測(cè)資料的分析等方法.各種方法都有其優(yōu)缺點(diǎn)，本文主要利用數(shù)學(xué)模型和經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算分析.

1 河流水動(dòng)力平面二維數(shù)學(xué)模型及其驗(yàn)證［1－3］

1.1 河網(wǎng)水體流動(dòng)二維模型基本方程

(1)基本方程

水流連續(xù)方程

x，y向水流運(yùn)動(dòng)方程

其中:x、y—空間坐標(biāo);z—水位;t—時(shí)間;

u、v—x向和y向上的流速分量;h—水深;

f—柯氏力，f=zWsinΦ;W—地球自轉(zhuǎn)角速度;

Φ—地球緯度;C—謝才系數(shù);g—重力加速度.

(2)定解條件

初始條件:給定各個(gè)計(jì)算網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的初始地形，流速、水深等

邊界條件:給定模型進(jìn)口的流量過程;出口給定水位流量過程;

1.2 河流建橋局部沖刷二維模型研究及其驗(yàn)證

擬建的名山橋位于縉云好溪河流，名山橋位于名山村西北，好溪屬甌江水系，發(fā)源于磐安縣大崗尖西南麓，在麗水市古城匯入大溪(甌江干流)，好溪主流全長(zhǎng)129 km.

根據(jù)模型驗(yàn)證的需要、現(xiàn)有的好溪水文資料、好溪防洪規(guī)劃和河道整治規(guī)劃等研究的成果，以及大橋可能對(duì)洪水的影響選取模型的計(jì)算范圍.二維數(shù)學(xué)模型的上邊界為仙都啤酒廠處的河道斷面至到下名山南部的洋泉斷面.

二維模型區(qū)域離散網(wǎng)格圖見圖1，對(duì)大橋附近的區(qū)域進(jìn)行了局部加密.對(duì)不同頻率的洪水進(jìn)行了驗(yàn)證計(jì)算.結(jié)果比較表明，計(jì)算洪水水位與實(shí)測(cè)及其插值、洪痕及其插值以及規(guī)劃報(bào)告計(jì)算成果比較符合，誤差均在 +0.086～0.072之間.表明本模型所取的糙率、紊動(dòng)系數(shù)等計(jì)算參數(shù)合理.其參數(shù)的選取可用于名山橋局部沖刷的計(jì)算.

圖1 區(qū)域離散網(wǎng)格和大橋附近區(qū)域局部加密網(wǎng)格

2 河流建橋局部沖刷二維模型計(jì)算

2.1 計(jì)算條件

在有橋的情況下，為適應(yīng)模型對(duì)橋墩繞流計(jì)算的需要，對(duì)大橋橋墩和橋位附近的計(jì)算區(qū)域進(jìn)行高度加密，得到有橋時(shí)計(jì)算網(wǎng)格和計(jì)算點(diǎn)加密圖，見圖1.計(jì)算水文條件，根據(jù)水文計(jì)算分析，橋位處重現(xiàn)期(年)20%的設(shè)計(jì)洪峰流量分別為2170 m3/s.

2.2 計(jì)算結(jié)果及其分析

2.2.1 橋位橋墩附近流速變化分析

建設(shè)大橋前的橋位橋墩附近流速分布圖2，建設(shè)大橋后橋位橋墩附近流速分布圖見圖3，圖4和圖5，從對(duì)比圖形可以看出，流向橋墩的水流，在受到墩身的阻攔時(shí)，其流速方向和流速分布和流動(dòng)結(jié)構(gòu)發(fā)生急劇變化，水流的繞流使流線急劇彎曲，橋墩兩側(cè)由于過流斷面減少流速增加，墩后流速降低，并在墩后形成渦流.

圖5 橋墩附近流速等值線色度圖

根據(jù)建設(shè)大橋前后流速的大小，計(jì)算出橋位橋墩附近斷面平均流速變化率，可以看出橋位斷面流速增加最大，20年一遇洪水流速最大增加5.6%，最大影響距離向上游約529～604 m范圍內(nèi).

2.2.2 建橋沖刷計(jì)算分析

局部沖刷分析點(diǎn)的選取.橋位附近局部沖刷計(jì)算分析點(diǎn)位置見圖6.

圖6 橋位附近局部沖刷計(jì)算分析點(diǎn)位置圖

局部沖刷分析.選取20年一遇洪水，得到達(dá)到?jīng)_刷淤積相對(duì)平衡時(shí)，橋墩附近沖刷分布圖見圖7，其最大沖刷深度約為3.1 m.最大沖深產(chǎn)生的區(qū)域和位置，均發(fā)生在橋墩的兩側(cè)后部，這些區(qū)域是橋墩繞流漩渦紊動(dòng)、脈動(dòng)、產(chǎn)生、增強(qiáng)、減弱并逐漸消亡的區(qū)域，也是橋墩承載最不利區(qū)域.

圖7 橋墩附近沖刷分布圖

3 經(jīng)驗(yàn)公式河床沖刷計(jì)算結(jié)果及其分析

建橋后，由于過水?dāng)嗝娣e減小，橋址斷面附近流速增大，水流挾沙力增大，引起橋址斷面附近發(fā)生沖刷.橋址斷面附近的沖刷除自然沖刷外，還包括一般沖刷和局部沖刷兩部分，本次計(jì)算應(yīng)用浙江省涉河橋梁水利技術(shù)規(guī)定(試行)提供的公式進(jìn)行，計(jì)算結(jié)果見表1，由表可以看出，河床最大沖刷深度為3.7 m.一般沖刷深度在 0.5 ～0.8 m 之間，略大于浙江省涉河橋梁水利技術(shù)規(guī)定(試行)中已有工程的一般沖刷深度0.5 m.建議加強(qiáng)對(duì)堤防采取防護(hù)措施.

表1 河床沖刷經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算成果 m

4 橋梁墩臺(tái)防護(hù)措施及其水動(dòng)力分析

橋墩是一個(gè)阻水建筑物，橋墩周圍發(fā)生的床面沖刷和泥沙運(yùn)移是個(gè)較為復(fù)雜的過程.引起橋墩沖刷的主要原因有，一方面由于橋墩阻水而在墩前形成壅水產(chǎn)生下移螺旋流，立軸漩渦體系向下游傳播發(fā)展，在橋墩下游形成回流區(qū)，該回流區(qū)的流動(dòng)是有旋流動(dòng)，漩渦的中心形成真空，卷起泥沙帶往下游，從而導(dǎo)致河床下切;另一方面由于橋墩阻水形成側(cè)向繞流產(chǎn)生馬蹄形螺旋流淘刷兩側(cè)地形，從而導(dǎo)致橋墩周圍床面的沖刷，在馬蹄形漩渦的作用下，橋墩周圍河床上的泥沙被沖起帶向下游，逐漸形成沖刷坑.當(dāng)沖刷坑發(fā)展到一定深度時(shí)，水流能量減弱，沖刷逐漸停止.沖刷坑的形成是由局部水流條件改變的結(jié)果.沖刷坑的形成、發(fā)展到最后，其基本平衡水流條件、泥沙特性和河床特性三個(gè)方面共同作用的結(jié)果.

橋墩局部沖刷初期，橋墩前的行近水流受橋墩阻擋分向橋墩兩側(cè)，迎水面橋墩前兩側(cè)首先沖刷，然后再向橋墩前沿?cái)U(kuò)展，并逐漸刷深，范圍擴(kuò)大，此時(shí)橋墩兩側(cè)也在同步刷深、拓寬.由于分離流和漩渦的作用，泥沙從沖刷坑內(nèi)搬運(yùn)到坑外時(shí)呈螺旋形上升，一部分被帶向橋墩下游掩護(hù)區(qū)內(nèi)形成沙埂，一部分泥沙則被主流帶走.迎水面墩前沖刷坑的范圍在沖刷開始后很快成形并在較短時(shí)間內(nèi)趨于基本穩(wěn)定，當(dāng)墩前附近的沖刷達(dá)到基本平衡時(shí)，墩兩側(cè)沖刷坑仍在繼續(xù)刷深、拓寬.隨著時(shí)間的推移，下游淤積體體積在逐漸增大，導(dǎo)致阻力增大，輸沙能力逐漸減弱，加上沖刷坑的沖刷深度和范圍逐漸增加，使得坑內(nèi)泥沙越來越難于搬運(yùn)出坑外，僅在沖刷坑內(nèi)進(jìn)行局部調(diào)整.坑外淤積體的形態(tài)變化漸趨穩(wěn)定，沖刷坑內(nèi)的局部調(diào)整也逐漸停止，最后橋墩周圍的沖刷坑在一定深度和范圍下基本定型和穩(wěn)定.

橋梁墩臺(tái)的防護(hù)從河流泥沙水動(dòng)力和措施機(jī)理看，可以通過以下兩個(gè)方面加強(qiáng)橋梁墩臺(tái)的防護(hù).

(1)提高河床表面抗沖刷能力的防護(hù)措施

通過提高河床表面面抗沖刷能力，如拋石防護(hù)、擴(kuò)大橋墩基礎(chǔ)防護(hù)、混凝土模袋和混凝土鉸鏈排防護(hù)和四角混凝土塊防護(hù)等.

這些方法將具有一定粒徑和質(zhì)量要求的塊石、卵石、人工或者天然石料，按照設(shè)計(jì)要求均勻拋投至橋梁墩臺(tái)堤岸坡腳附近一定范圍，在橋梁墩臺(tái)的一定范圍內(nèi)形成一定厚度的連續(xù)覆蓋層，一方面增加了床沙起動(dòng)或揚(yáng)動(dòng)所需的流速，另一方面可以增大橋墩附近局部糙率，對(duì)于減小橋墩附近流速也有一定的作用，提高河床表面面抗沖刷能力.

(2)降低水流流速和紊動(dòng)的防護(hù)措施

通過降低水流速度和動(dòng)能，以降低河道床面切應(yīng)力，減少水流對(duì)河床的沖刷能力，如橋墩開縫防護(hù)、護(hù)圈防護(hù)、、墩前淹沒翼墻防護(hù)、墩前淹沒底檻防護(hù)、墩前淹沒角檻防護(hù)、墩前排樁防護(hù)等防護(hù)措施.

這些措施一方面降低了水流流速，干擾水流的紊動(dòng)，減少馬蹄形旋渦強(qiáng)度，降低水流的沖刷能力.

(3)綜合防護(hù)措施

對(duì)于降低水流流速和紊動(dòng)的防護(hù)措施，都是在一定的邊界條件下，通過改變流速的大小和方向，使流速減小和馬蹄形旋渦紊動(dòng)強(qiáng)度降低.當(dāng)各種邊界條件的改變使流速的大小和方向不能夠滿足上述條件時(shí)，這種措施的防護(hù)效果就會(huì)降低，甚至引起整個(gè)防護(hù)工程的失敗，影響橋墩穩(wěn)定和橋梁安全運(yùn)行，通過4.1和4.2的組合綜合措施也是重要的方法.如護(hù)圈結(jié)合淹沒翼墻的局部沖刷防護(hù)措施，河海大學(xué)提出的橋墩周圍四面體透水框架群拋投防護(hù)方法等等.

5 結(jié)語

利用二維河流數(shù)學(xué)模型和經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)橋墩局部沖刷進(jìn)行了對(duì)比計(jì)算和分析，對(duì)橋梁墩臺(tái)防護(hù)的措施及其降低水流流速，干擾水流的紊動(dòng)，減少馬蹄形旋渦強(qiáng)度，降低水流的沖刷能力的水動(dòng)力特性進(jìn)行了分析.為工程設(shè)計(jì)和管理提供了依據(jù).

［1］李東風(fēng)，張紅武，許雨欣，等.黃河下游平面二維水流泥沙運(yùn)動(dòng)模擬的有限元方法［J］.泥沙研究，1999(4):59 －63.

［2］李東風(fēng)，張紅武，謝華偉，等.名山橋建橋河流壅水防洪影響研究［J］.浙江水利水電專科學(xué)校學(xué)報(bào)，2012，24(3):9 －11.

［3］謝其華，李東風(fēng)，陳冬云，等.基于二維數(shù)值模擬的城市河網(wǎng)水體流動(dòng)性研究［J］.浙江水利水電?？茖W(xué)校學(xué)報(bào)，2010，22(4):1－7.

［4］李東風(fēng)，毛連明，陳冬云.河網(wǎng)水體流動(dòng)控導(dǎo)措施二維數(shù)值計(jì)算分析［J］.浙江水利水電專科學(xué)校學(xué)報(bào)，2011，23(1):9 －13.