典型橋墩局部沖刷及防護特性數(shù)值模擬研究

(1.中鐵大橋勘測設(shè)計院集團有限公司，湖北 武漢 430050; 2.南京水利科學研究院，江蘇 南京 210029; 3.水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，江蘇 南京 210098)

涉水橋梁橋墩的阻水作用，必然導致水流(海流)與泥沙相互作用發(fā)生變化。橋墩局部沖刷的發(fā)生，也促使河(海)床作出相應(yīng)調(diào)整，不僅影響到橋梁所在河段的演變趨勢，而且還可能威脅到橋梁建筑物本身的安全與穩(wěn)定。對橋墩局部沖刷深度的可靠預(yù)測以及采取適當?shù)臎_刷防護措施是保證橋梁安全運行的基礎(chǔ)，因此必須對橋墩局部沖刷及防護引起足夠重視[1]。

對于單向流作用下的橋墩局部沖刷問題，國內(nèi)外研究者通過一個多世紀的研究，已經(jīng)取得了相對比較成熟的研究成果[2-4]。但隨著沿海經(jīng)濟的快速發(fā)展，大型跨海橋梁的建設(shè)越來越多，跨海灣(河口)橋梁基礎(chǔ)所處的海域往往具有水深、浪高、雙向非恒定潮流等水動力條件復雜的特點，使現(xiàn)有單向流沖刷研究成果難以適用于跨海橋梁基礎(chǔ)的沖刷問題[5]。目前，對于跨海橋梁基礎(chǔ)的沖刷研究還處于初級階段，國內(nèi)已建的、在建的跨海大橋橋梁基礎(chǔ)的沖刷大都通過專門的水槽模型試驗專題測定[6-7]，就物理模型而言，除了投資大、存在比尺效應(yīng)外，還存在周期長、可移植性差等缺點，難以完全適應(yīng)多因素、大范圍、多方案的工程規(guī)劃問題。因此，應(yīng)用數(shù)學模型研究這類問題，無疑是今后的發(fā)展方向。本文通過FLOW-3D建立波流共同作用下的三維橋墩沖刷及防護數(shù)學模型，針對典型橋墩在波流作用下的沖刷及防護特性進行了研究分析，其研究方法可為類似研究提供參考，其研究結(jié)果亦具有重要的理論價值和現(xiàn)實意義。

1 數(shù)值模型建立及驗證

1.1 模型建立

該數(shù)學模型設(shè)置了長16.675 m、寬13.34 m、高0.3 m的長方體區(qū)域為計算的區(qū)域。模型橋墩為圓柱橋墩，高5.0 m，直徑66.7 cm或36.0 cm，橋墩位于距離模型最前端 10.005 m(即為圓柱直徑的10倍)處。在X方向，對橋墩前后1 m范圍內(nèi)進行了局部加密，劃分的網(wǎng)格單元數(shù)為150個；在Y方向，橋墩左右1m范圍內(nèi)，劃分的網(wǎng)格單元數(shù)為120個，模型的總體網(wǎng)格設(shè)置為180×170×100個。模型的平面圖和網(wǎng)格劃分如圖 1所示。

圖1 模型的平面圖和網(wǎng)格劃分示意

1.2 模型驗證

本文數(shù)值模擬研究及驗證采用文獻[5]的物理模型，該模型采用1∶1的設(shè)計比尺,具體設(shè)置如下：動床面長6 m，寬5 m，泥沙床面厚度 0.3 m，泥沙選用中值粒徑 0.12 mm、分選系數(shù)為1.15的粉砂，試驗中水深0.467 m，選取3種不同來流流速，分別為4.23，7 cm/s和10.06 cm/s。選擇2種不同墩柱直徑，分別為36 cm和 66.7 cm。各組試驗中，水深恒定，在物理模型實驗中，加上波浪的作用，選取11組不同波高和波浪周期進行試驗，具體組次安排見表1。

表1 數(shù)值模擬和物理模型試驗組次

注：D為橋墩直徑，h為模型水深，v為邊界流速，H為入射波高，T為入射波周期。

邊界上面的設(shè)置完全按照1∶1輸入表1的流速、波高、水深和波浪周期值。驗證結(jié)果如圖 2所示。結(jié)果表明，所建模型模擬效果較好。

圖2 最大沖刷深度實測值與模擬值對比

2 橋墩水沙動力特性分析

2.1 流速分布特性

如圖 3(a)所示，在橋墩的前方泥沙區(qū)域，有明顯的馬蹄形漩渦產(chǎn)生，而且沿墩柱的豎直方向，由上至下的下泄水流明顯，這是因為橋墩結(jié)構(gòu)物阻礙了水流的前進，致使橋墩前端的水面出現(xiàn)明顯的壅高現(xiàn)象，且在橋墩前端部分達到最高值。如圖 3(b)所示，當水流作用接觸橋墩時會發(fā)生繞流，系統(tǒng)設(shè)置墩柱邊壁的流速為無流速，由于橋墩兩側(cè)繞流的存在，流速較大。橋墩迎水面阻水的能力阻礙了水流，產(chǎn)生了壅水現(xiàn)象，也使橋墩前端部分的流速減小為零。壅水現(xiàn)象是向下豎直水流產(chǎn)生的原因。

圖3 墩柱附近流速結(jié)構(gòu)示意

2.2 沖刷特性分析

以第二組數(shù)值模擬為例：在墩柱周圍選取6個特征斷面，分別是X=-R、0、R與Y=-R、0、R，由圖 4(a)～(f)所示，沖刷從400 s到500 s的過程中，沖刷深度的量逐漸減小，沖刷漸漸趨近動態(tài)平衡。從400 s的斷面沖刷量到500 s的斷面沖刷量，沖刷增加量僅為橋墩墩半徑的1.36%，基本達到了沖淤平衡。在沖淤平衡時刻，沖刷最大深度為 8.2 cm，與實驗值進行比較，相差僅 1.8 cm，說明模型計算具有一定準確性。

圖4 不同特征斷面沖淤變化

3 防護結(jié)果分析

3.1 防護位置對沖刷的影響

設(shè)置了3種高程,研究防護高度對沖刷的影響:①工況1:當Z=0.29 m時，護圈埋在泥沙中；②工況2:Z=0.31 m時，護圈保護結(jié)構(gòu)物與泥沙面齊平;③工況3:Z=0.32 m時，護圈保護結(jié)構(gòu)物的底面距動床床面距離為1 cm。其中Z為護圈結(jié)構(gòu)物距離床沙頂部的距離，具體示意見圖 5。

圖5 保護結(jié)構(gòu)物沖刷示意

如圖 6所示，當護圈結(jié)構(gòu)物與動床床面齊平的情況下，最大沖刷深度的減小量最大，護圈保護結(jié)構(gòu)物抑制沖刷效率最高(其中，R為護圈橋墩保護結(jié)構(gòu)物的半徑，r為橋墩半徑)。

圖6 不同擺放位置時的最大沖刷深度比較

3.2 防護面積對沖刷的影響

為研究防護面積對橋墩沖刷的影響，設(shè)置3種防護面積，R=0.29r，R=0.31r及R=0.32r。根據(jù)已有研究成果分析，當護圈擺放在相同的相對床面高度時，不同的護圈半徑對于最大沖刷深度的影響不同，若護圈半徑增大，將會使最大沖刷深度明顯減小，抑制沖刷效率增加。

如圖 7所示，隨著護圈半徑增大，在相同護圈相對高度的情況下，最大沖刷深度明顯較小，這是由于護圈半徑增大后，更多地阻礙了橋墩周圍的紊動水流對泥沙的淘刷，水流對橋墩周圍的泥沙的侵蝕作用隨著護圈的增加而不斷減小，使橋墩周圍的泥沙沖刷量也急速減小。護圈結(jié)構(gòu)物半徑增加的過程中，對于橋墩周圍泥沙的保護作用是不斷加強的。

圖7 不同護圈半徑下的最大沖刷深度比較

4 結(jié) 論

(1)FLOW-3D模型能準確模擬出橋墩四周的三維紊動流態(tài)，包括馬蹄形漩渦、尾渦擺動以及邊界層分離，而且表現(xiàn)出墩柱迎水面下泄水流對橋墩迎水面底部的沖刷作用。

(2)FLOW-3D在計算三維橋墩局部沖刷有下列特點：模型能夠在很短的模擬時間之內(nèi)，快速達到?jīng)_刷動態(tài)平衡，而且達到?jīng)_刷動態(tài)平衡時刻的最大沖刷深度值與物理模型試驗實測值相差約在10%～30%之間。

(3)護圈保護結(jié)構(gòu)物對于橋墩四周的局部沖刷有較好的抑制作用，可有效保護橋墩四周的泥沙不被三維的紊動水流侵蝕。研究表明：當護圈保護結(jié)構(gòu)物與泥沙床面齊平的時候，護圈保護結(jié)構(gòu)物直徑越大，保護效果越好；護圈結(jié)構(gòu)物與泥沙床面齊平的時候保護效果最好，這種方案優(yōu)于護圈浮于泥沙床面以及護圈與泥沙床面距離較遠的情況。

參考文獻:

[1] 韓海騫, 熊紹隆, 孫志林. 潮流作用下橋墩局部沖刷深度計算公式的建立與驗證[J]. 泥沙研究, 2016(1): 9-13.

[2] 祝志文, 喻鵬. 中美規(guī)范橋墩局部沖刷深度計算的比較研究[J]. 中國公路學報, 2016，29(1): 36-43.

[3] 梁森棟, 張永良. 大橋復合橋墩局部沖刷深度的計算分析[J]. 水利學報, 2011，42(11): 1334-1340.

[4] Khosronejad, A., S. Kang, F. Sotiropoulos. Experimental and computational investigation of local scour around bridge piers[J]. Advances in Water Resources, 2012，37(1): 73-85.

[5] 劉德良. 波浪與水流共同作用下大尺度建筑物周圍的局部沖刷[D].大連:大連理工大學,2004.

[6] 張新燕, 呂宏興,沈波. 圓柱橋墩局部沖刷機理試驗研究[J]. 水利水運工程學報, 2012(2): 34-41.

[7] 房世龍, 錢俊峰,陳紅. 圓柱橋墩清水局部沖刷透水三桿架體防護特性試驗研究[J]. 水電能源科學, 2015(8): 98-102.