河橋梁墩柱形態(tài)對(duì)水體流動(dòng)影響研究

王濤　張祎

【摘 要】橋梁工程的興建大大加快了交通運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展，為人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的開展提供了保障。十九世紀(jì)末，學(xué)術(shù)界注意到橋墩會(huì)對(duì)河道內(nèi)的水體流動(dòng)產(chǎn)生一定的影響：由于水流過橋墩時(shí)需克服阻力，在橋墩前會(huì)形成一定的水位壅高，使得橋墩附近流速變化，并影響附近的床面形態(tài)，形成橋墩沖刷坑。流場(chǎng)的變化和沖刷坑的形成增加了兩岸的防洪壓力并且威脅橋梁本身。

【關(guān)鍵詞】橋梁工程；阻水效應(yīng)；水位壅高

橋墩阻水帶來的過流和壅水問題是一個(gè)古老的水力學(xué)問題。在國(guó)外，從19 世紀(jì)后期就開始了橋梁壅水的調(diào)查分析和試驗(yàn)研究工作。我國(guó)從20世紀(jì)50年代后期，開始進(jìn)行橋梁和路堤壅水試驗(yàn)研究工作，20世紀(jì)80年代中期，我國(guó)學(xué)者為降低防洪水頭的昂貴費(fèi)用，要求對(duì)橋墩壅水高度做出精確的預(yù)報(bào)，對(duì)實(shí)際工程中常用的六種墩型的橋墩引起的壅水問題，用現(xiàn)代試驗(yàn)方法和測(cè)量?jī)x器進(jìn)行較為系統(tǒng)的模型試驗(yàn)研究。此后，采用經(jīng)驗(yàn)分析、物理模型試驗(yàn)和簡(jiǎn)化的水力學(xué)方法及橋渡壅水沖刷經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)這一問題進(jìn)行研究得到了廣泛應(yīng)用。

胡旭躍等采用粒子圖像測(cè)速技術(shù)，對(duì)直槽和彎槽中圓柱周圍近區(qū)表層的速度分布進(jìn)行了測(cè)量，分析所得數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)橋墩壓縮水流，橋孔內(nèi)流速明顯增大。何建國(guó)，方紅衛(wèi)等提出了從模型對(duì)不同收縮比條件下橋墩繞流情況的計(jì)算采用的k-ε紊流模型能夠很好的給出紊動(dòng)黏性系數(shù)的分布情況和變化趨勢(shì)， 并據(jù)此計(jì)算出橋墩后部背水區(qū)的水流漩渦情況。

祖小勇等在概化水槽中進(jìn)行，位定床模型試驗(yàn)，得出以下結(jié)論（1）在平行于橋墩中截面，離墩頭和墩尾的距離分別為0.6倍和0.4倍墩長(zhǎng)的斷面附近，存在表層水流斜向外底層水流斜向下的斜流；（2）發(fā)現(xiàn)各測(cè)點(diǎn)間兩種流速分布均存在一定差別，橋墩周圍水流橋受到橋墩和槽壁影響，脈動(dòng)流速不符合正態(tài)分布；（3）墩尾存在回流和紊動(dòng)劇烈區(qū)；（4）根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析計(jì)算得出了直道單墩情況下，圓端型橋墩紊流寬度與 Fr的相關(guān)關(guān)系。

黃爾，曹叔尤，劉興年，D.W.Knight應(yīng)用試驗(yàn)資料對(duì)拱橋法進(jìn)行了驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)拱橋法往往過高估計(jì)橋梁壅水。提出了計(jì)算復(fù)式河道橋梁壅水的邊灘等價(jià)河寬的概念和計(jì)算方法，計(jì)算出的橋梁壅水與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合良好。吉紅香，鄭靜，黃本勝，林美蘭，杜涓為了降低橋墩所造成的水位奎高，研究對(duì)排洪渠的擴(kuò)寬、挖深進(jìn)行了多方案試驗(yàn)比較。且對(duì)擴(kuò)寬并挖深1.0m做了水力學(xué)計(jì)算分析。周勤，尹崇清，張湛利用二維水深平均方程對(duì)不同斜交角度橋墩對(duì)水流的擾動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬。

丁偉等采用VOF（volume of fluid）方法和標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，對(duì)涉河橋梁橋墩附近河段三維流場(chǎng)進(jìn)行了精細(xì)模擬，通過不斷改變橋墩寬、橋墩數(shù)、橋梁跨徑、橋墩和水流的夾角、橋梁和水流的夾角和橋墩的布置形式等，進(jìn)一步分析各個(gè)因素對(duì)橋梁壅水的影響。計(jì)算分析成果表明橋墩在橋梁穩(wěn)定的前提下，減少其寬度可以有效地降低壅水高度，同時(shí)雙圓柱型橋墩有利于降低壅水高度。橋墩軸線盡可能順應(yīng)水流流向，橋梁軸線盡可能與水流流向垂直，至少要將夾角控制在大于65°。

黃東、鄭國(guó)棟、黃本勝，賴冠文等初步系統(tǒng)地調(diào)查了珠江三角洲橋梁的總體和局部分布、橋梁尤其是橋墩的結(jié)構(gòu)形式、橋梁所在河段的河道特性及斷面特征等塞本情況。進(jìn)行了三座典型橋梁的阻水水文觀測(cè)，對(duì)橋梁限水情況提出了初步的定性判斷，并為進(jìn)行下一步的橋梁阻水研究提出了建議：修建橋梁前除對(duì)橋梁阻水問題進(jìn)行近似計(jì)算外，還需通過物理模型或建立比較精密的局部數(shù)學(xué)模型進(jìn)行較詳細(xì)的研究和論證。

河道橋梁橋墩對(duì)水體流動(dòng)影響主要體現(xiàn)在橋墩的阻水效應(yīng)上。在流量小時(shí)并不明顯，但是在洪水期卻十分顯著。橋墩的對(duì)水體流動(dòng)影響所帶來的危害主要體現(xiàn)在兩方面。一方面橋梁壅水抬高了橋梁上游水位，增大了淹沒面積，滯蓄了洪水，從而增大洪水災(zāi)害。如果流量過大，使洪水漫過橋梁，甚至沖毀橋梁，將造成更大的災(zāi)害；而另一方面，橋孔約束水流，橋下流速增大，使原來水流與河床泥沙相對(duì)運(yùn)動(dòng)平衡狀態(tài)遭受破壞，導(dǎo)致橋墩橋臺(tái)附近發(fā)生局部沖刷，并引起橋墩周圍河床產(chǎn)生一定的沖淤變化，若橋墩周圍河床沖刷深度較大則可能危及橋梁自身的安全，同時(shí)也會(huì)對(duì)橋梁通航及行洪產(chǎn)生不利影響。

反觀橋梁建設(shè)方面，根據(jù)前人大量的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，橋墩形狀已經(jīng)形成了一定的設(shè)計(jì)規(guī)范，達(dá)成設(shè)置為流線型或者圓墩柱頭的共識(shí)。在現(xiàn)今大城市的橋梁大多綜合考慮了橋墩阻水效應(yīng)和工程實(shí)施復(fù)雜度，橋墩形態(tài)設(shè)計(jì)趨于統(tǒng)一和規(guī)范化。而在中小城市以及偏遠(yuǎn)山區(qū)，橋梁的建設(shè)卻少有考慮橋墩對(duì)水體流動(dòng)影響，橋墩形態(tài)不一，現(xiàn)在缺少對(duì)中小型河流橋墩形態(tài)的相關(guān)統(tǒng)計(jì)。

此外，國(guó)內(nèi)外對(duì)橋墩影響水體流動(dòng)的研究大部分為對(duì)阻水效應(yīng)的具體數(shù)值計(jì)算和分析，忽略了對(duì)不同形態(tài)墩體的研究。并且，之前大多數(shù)的學(xué)者大多針對(duì)特定橋梁工程進(jìn)行研究和探討，而少有研究橋梁阻水普遍特性。

不同形態(tài)的墩體由于阻水比的不同，壅水效果以及對(duì)墩體周圍水流流速的影響不同，導(dǎo)致了其附加阻水面積的不同。本課題小組將在南京周邊的河道全面統(tǒng)計(jì)考察不同橋梁墩體的各類數(shù)據(jù)，參考圖紙并建立模型，比較研究各種形態(tài)橋墩對(duì)河流阻水的影響。在研究方向上，本課題小組的研究將著重對(duì)不同形態(tài)墩柱阻水比對(duì)水流的影響以及附加阻水面積等方面進(jìn)行分析，彌補(bǔ)前人在此方面研究的欠缺與空白，為今后可能發(fā)生的橋梁事故提供一種有效的解釋；其次，最大程度地減少后續(xù)橋梁建設(shè)對(duì)河道尤其是防汛安全管理的不利影響，也可為現(xiàn)已建成的橋梁工程緩解阻水效應(yīng)提供一種可行的補(bǔ)救措施，對(duì)防汛工作將起到事半功倍的作用。在我國(guó)橋梁事業(yè)飛速發(fā)展的大好形勢(shì)下，具有重要的工程指導(dǎo)意義。 [科]

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