臨桂新區(qū)太平河彎曲河段渡槽槽墩水流特性數(shù)值模擬分析

賈 旭

（湖南省建工集團有限公司，湖南 長沙 410000）

0 前言

根據(jù)臨桂新區(qū)工程設計，按照防洪標準，太平河河道需滿足100年一遇洪水標準，原太平河河道寬度將由20 m增加至不小于40 m。同時，為減少新修河道占用周邊農(nóng)田，并與周邊環(huán)境相協(xié)調(diào)，新設計河道岸線在下游處曲率逐漸變大，與渡槽走向斜交。同時，原渡槽下方，當?shù)卮迕褚蓝战ㄓ型ㄐ泻喴装鍢蛐柰瑫r進行拆除，為不影響后續(xù)行人通行，設計方案中確定將渡槽與橋梁同時改建，故而，太平河渡槽改建包含渡槽及人行橋兩部分內(nèi)容。重建渡槽位于新設計河道彎段，設計時僅考慮槽墩與渡槽中心線垂直，未考慮河道內(nèi)水流方向，為確定槽墩與水流是否順直，本文針對河道水流流場進行模擬分析。

1 渡槽現(xiàn)狀

太平河位于桂林市臨桂新區(qū)境內(nèi)，太平河渡槽位于河道中部，原渡槽跨度與老河道寬度基本相同，長度約20 m，渡槽為簡支梁式，共3跨，4個槽墩，河道中間槽墩為單矩形柱式，采用漿砌石砌筑，槽身寬度約0.6 m，原渡槽使用年限較久，槽身及槽墩結構已有多處漏水、脫落，加之跨度不滿足新河道寬度，故新渡槽改建方案確定將老渡槽進行拆除，并在原址處修建新渡槽。

2 渡槽優(yōu)化方案分析

2.1 原設計方案水流特性分析

照前述渡槽改建內(nèi)容，設計單位結合太平河河道設計岸線確定了渡槽設計初步方案，新建渡槽設計過水流量與原渡槽相同，同樣采用簡支梁式渡槽，每跨9.6 m，設4個槽墩及兩個邊墩，槽墩由槽身及人行橋共用，兩者并列平行布置。渡槽外空尺寸為0.9 m×1.1 m（寬×高），人行橋橋面寬2.3 m，河道內(nèi)槽墩為適應水流采用圓端形墻狀墩身，槽墩尺寸為4.4 m×0.6 m。

槽墩原設計初衷是為適應水流要求，盡可能減少槽墩對水流影響，降低水流對槽墩的沖擊，提高槽墩的穩(wěn)定性。然而，由于渡槽需要在原址上重建，該部位位于新設計河道彎段，設計時僅考慮槽墩與渡槽中心線垂直，未考慮河道內(nèi)水流方向，為確定槽墩與水流是否順直，需先對河道水流流場進行模擬。本文選用程凱等二維模型的計算與實測數(shù)據(jù)對比結果[1]，采用二維模型平面模型對彎曲復式河道進行模擬計算。

根據(jù)初步設計水文分析資料，太平河河道入口20年一遇洪水流量為121 m3/s，按照河道斷面形式計算入口處平均流速0.67 m/s,同時算得河道水力半徑為2.67 m。

基于Wilson等利用激光多譜勒測速儀（LDV）測量室內(nèi)動床河灣模型中的二次環(huán)流[2]，并將測量結果與標準k-ξ雙方程模型計算結果比較。表明在采用合理網(wǎng)格布置和差分格式的前提下，標準k-ξ紊流模型能夠較好地預測彎曲河道中的主流和二次流流速。

直角坐標系下，標準k-ξ模型的湍動能及其比耗散率輸運方程為：

式中：Gk為由層流速度梯度產(chǎn)生的湍流動能；Gω為由ω方程產(chǎn)生的湍流動能；Tk和Tω為k和ω的擴散率；Yk和Yω為由擴散而產(chǎn)生的湍流。

FLuent軟件中提供了除標準k-ξ模型外的其他兩種k-ξ模型，包括RNG模型以及Realizable模型，針對雷諾數(shù)較高的情況（Re＞105），結合標準壁面函數(shù)，采用Realizable k-ξ模型，數(shù)值計算精度較高。

通過設置監(jiān)測點獲得無槽墩情況下槽墩上游面中心所在位置處流速及速度方向，監(jiān)測點由左岸至右岸分別為P_1、P_2、P_3、P_4。數(shù)值計算后速度場及監(jiān)測點流速及速度方向統(tǒng)計，見圖 1、表 1。

圖1 河道流場圖

表1 監(jiān)測點數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

根據(jù)以上數(shù)值模擬結果，在彎段修建渡槽，采用圓端形槽墩，墩柱軸線與流速方向存在一定角度，對水流條件影響較大。

2.2 渡槽優(yōu)化設計方案

為緩解上述問題，工程提出新的渡槽設計，即采用對不均勻流場適應性較強的單圓柱形槽墩，槽墩直徑為0.8 m。

新建渡槽設計過水流量與原渡槽相同，同樣采用簡支梁式渡槽，每跨9.6 m，設4個槽墩及兩個邊墩，槽墩由槽身及人行橋共用，兩者并列平行布置。渡槽外空尺寸為0.9 m×1.1 m（寬×高），人行橋橋面寬2.3 m，河道內(nèi)槽墩為適應水流采用圓端形墻狀墩身，槽墩尺寸為4.4 m×0.6 m。

3 槽墩繞流數(shù)值模擬

3.1 計算模型

為評價新方案單圓柱形槽墩與原設計方案對水流的影響，本文采用與河道流場分析相同的Fluent軟件進行數(shù)值模擬。

3.2 模型建立

根據(jù)李彬，孫東坡等研究[3]，橋梁與水流斜交且橋墩為圓端形時，橋墩阻水寬度計算采用下式：

式中：B為橋墩阻水寬度，L為橋軸線法線方向的橋墩寬度，b為橋軸線方向的橋墩寬度，α為橋墩長軸軸線與水流方向間夾角。

計算結果見表2。

表2 槽墩特征長度

分別建立同條件下各種槽墩的入流模型，各槽墩尺寸不變，圓端形槽墩與水流方向角度取前述確定角度，計算區(qū)域以槽墩直徑和阻水寬度中的大值D為特征長度，計算域的長寬分別為30D和20D，槽墩中心距上游及下游面分別為10D和20D，距離左右側均為10D。

3.3 邊界條件及求解設置

數(shù)值模擬時，邊界條件選用速度入流和自由出流；流場的上下邊界采用對稱邊界條件，以減少邊界對水流的影響；槽墩設定為無滑移壁面條件，入流速度及與槽墩的夾角均采用前述計算結果。

求解器為基于壓力的分離式求解器，采用二階隱式時間格式的非定常流動進行計算，壓力與速度的耦合計算采用PISO算法，壓力的離散為二階精度離散，動量方程采用二階迎風格式，計算中壓力、密度、體積和動量項的欠松弛因子分別為0.7、1、1、0.7。

3.4 阻力系數(shù)

阻力是流體對槽墩的沿流動方向的壓力，即為槽墩對水流的阻滯作用力。根據(jù)阻力系數(shù)公式，計算槽墩阻力系數(shù)，見下式：

式中：Fd為流體作用于單位長度柱體上沿順流方向的分力。

結果見表3。

表3 各類型槽墩阻力系數(shù)

經(jīng)過數(shù)值模擬后的速度流線見圖2～圖6。

圖2 1#槽墩速度矢量圖

圖3 2#槽墩速度矢量圖

圖4 3#槽墩速度矢量圖

圖5 4#槽墩速度矢量圖

圖6 圓柱形槽墩速度矢量圖

4 結果分析

1）通過圖2～圖6可以看出，1#～4#圓端形槽墩偏轉一側出現(xiàn)漩渦，漩渦的位置與流速大小及軸線偏轉角度大小均相關，隨著槽墩偏轉角度增大，漩渦位置往上游方向偏移，流速越大漩渦面積越大，而新方案中圓柱形槽墩漩渦均位于槽墩下游位置，與槽墩相對位置固定。

2）通過表2槽墩阻力系數(shù)表統(tǒng)計可看出，隨著墻狀槽墩偏移角度的增大，槽墩對水流阻力系數(shù)呈增大趨勢，而新方案中圓柱型槽墩阻力系數(shù)遠小于墻狀槽墩，對水流的阻滯較小，故新方案中圓柱形槽墩水流條件較好。

5 結語

通過方案比選，可見采用單圓柱形槽墩在結構穩(wěn)定性及對水流影響方面均優(yōu)于原方案設計中圓端形槽墩。同時，圓柱形槽墩對彎段水流適應性強，槽墩基礎設計具有更加明顯的針對性。因此，在河道岸線多變、水流條件復雜的河道，跨河建筑物推薦采用單圓柱形槽墩或橋墩。