不同橋墩結(jié)構(gòu)形式對(duì)通航水流條件的影響研究

何傳凱

(大唐水電科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，四川 成都 610031)

1 概述

橋墩結(jié)構(gòu)普遍采用方形墩、片狀墩、圓頭墩、圓柱墩等結(jié)構(gòu)形式，目前對(duì)于橋墩結(jié)構(gòu)形式對(duì)通航水流條件的影響研究較少，陳景開[1]等通過(guò)二維水流模型，研究了雙圓柱墩和方頭墩對(duì)近堤水流流速和墩堤間局部流場(chǎng)等行洪水流條件的影響；李彬[2]等通過(guò)調(diào)整橋墩與斜交水流的夾角，研究了橋墩布置形式對(duì)河道局部流場(chǎng)的影響；楊忠超[3]、魏祥龍[4]等通過(guò)數(shù)值模擬，分析了橋墩對(duì)通航水流條件的影響；吳劍[5]通過(guò)flow-3D軟件，考慮不同來(lái)流角度以及橋墩之間的間距，分析了圓柱墩和圓頭墩的通航水流條件。以上學(xué)者只是單純研究了建橋前后橋墩對(duì)通航水流條件的影響，或只研究?jī)煞N橋墩結(jié)構(gòu)形式對(duì)行洪或通航水流條件的影響，未系統(tǒng)全面的對(duì)比分析不同橋墩結(jié)構(gòu)形式對(duì)通航水流條件的影響。

橋梁結(jié)構(gòu)形式往往根據(jù)通航、行洪、工程投資、交通組織、施工難度、景觀打造、后期維護(hù)等因素確定，而城市跨河橋梁建設(shè)會(huì)重點(diǎn)考慮景觀打造，宏偉氣派是城市跨河橋梁一個(gè)重要元素，橋墩尺寸往往較大，若橋墩尺寸過(guò)大，對(duì)通航水流條件反而不利。因此，通過(guò)二維水流數(shù)學(xué)模型試驗(yàn)研究橋梁結(jié)構(gòu)形式對(duì)通航水流條件的影響，能有效兼顧城市橋梁通航與景觀打造，為橋型方案選擇提供參考依據(jù)。

2 數(shù)值模擬

2.1 控制方程

平面二維的河道水流運(yùn)動(dòng)控制方程如下：

水流連續(xù)方程：

(1)

x方向的動(dòng)量守恒方程：

(2)

y方向的動(dòng)量守恒方程：

(3)

式中h為水深；u，v分別為x，y方向上的流速；t為時(shí)間；ρ為水的密度；E為渦粘系數(shù)；g為重力加速度；a為床面高程；n為曼寧系數(shù)；ζ為風(fēng)應(yīng)力系數(shù)；Va為風(fēng)速；ψ為風(fēng)向；w為地球自轉(zhuǎn)角速度；φ為當(dāng)?shù)鼐暥取?/p>

2.2 工程概況

某新建橋梁位于岷江支流府河上，府河該段航道定位為改善城市景觀、發(fā)展休閑旅游，規(guī)劃為Ⅵ級(jí)航道，設(shè)計(jì)代表船型尺度為45.0 m×5.5 m×1.0 m(長(zhǎng)×寬×設(shè)計(jì)吃水)。新建橋梁推薦橋型方案橋跨布置為3 m×25 m(小箱梁)+100 m(下承式鋼桁架拱橋)+3 m×25 m(小箱梁)，主塔橋墩結(jié)構(gòu)形式為方形墩，尺寸為9 m×12 m(長(zhǎng)×寬)，通航孔為跨徑100 m對(duì)應(yīng)的孔；比較橋形方案通航孔主墩中心坐標(biāo)及跨徑與推薦方案一致，主墩橋墩結(jié)構(gòu)形式為圓頭墩，尺寸為10.3 m×3 m(長(zhǎng)×寬)。

2.3 計(jì)算區(qū)域和網(wǎng)格設(shè)置

本模型計(jì)算河段長(zhǎng)度約為1 900 m，計(jì)算進(jìn)口距橋位約950 m，主要采用二次三角形六節(jié)點(diǎn)單元和二次四邊形八節(jié)點(diǎn)單元對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行離散，四邊形有限單元組成的計(jì)算網(wǎng)格計(jì)算穩(wěn)定性較好，相同條件下較三角形有限單元網(wǎng)格數(shù)量少，但對(duì)復(fù)雜邊界的適應(yīng)性差；三角形有限單元適應(yīng)性強(qiáng)，可隨意加密計(jì)算節(jié)點(diǎn)，較準(zhǔn)確的模擬復(fù)雜邊界，在橋墩周圍采用三角形有限單元局部加密，建橋后橋墩網(wǎng)格做不過(guò)水處理。

2.4 模型驗(yàn)證

根據(jù)實(shí)測(cè)工程河段水位、流速流向資料以及搜集對(duì)應(yīng)的流量數(shù)據(jù)，同時(shí)，根據(jù)工程河段的洪調(diào)資料，對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證，率定出工程河段糙率在0.026～0.032。

2.5 計(jì)算邊界條件

本研究是計(jì)算定場(chǎng)流的情況，所以在確定上下游邊界條件時(shí)只需要上游來(lái)水流量和下游水位即可。工程河段為天然河道，根據(jù)工程河段航道等級(jí)以及水文資料，通航凈空尺度控制工況為3年一遇，對(duì)應(yīng)的邊界條件為上游入口流量Q=1 070 m3/s，下游出口水位h=436.60 m。

2.6 測(cè)點(diǎn)布置

為研究不同墩型對(duì)通航水流條件的影響，依托某代表性橋梁工程實(shí)例，對(duì)與通航凈寬相關(guān)的橫向流速指標(biāo)進(jìn)行定量分析。在分別布置某橋梁推薦橋形、比較橋形方案主橋橋墩后，根據(jù)《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50139—2014)[6]條文說(shuō)明5.2.1條和5.2.3條，在橋軸線上游3倍代表船形長(zhǎng)度135 m范圍內(nèi)布設(shè)了154個(gè)測(cè)點(diǎn)(橋軸線方向測(cè)點(diǎn)間距均為10 m、水流方向測(cè)點(diǎn)間距約為10.4 m)，測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖1。導(dǎo)出各測(cè)點(diǎn)的合成流速、與橋軸線法線方向的夾角，并計(jì)算出各測(cè)點(diǎn)的橫向流速。

圖1 通航水域范圍內(nèi)測(cè)點(diǎn)布置示意

3 計(jì)算成果分析

3.1 原方案計(jì)算成果分析

在規(guī)范規(guī)定的通航水域范圍內(nèi)，推薦橋形方案的最大平均橫向流速為0.49 m/s，出現(xiàn)在測(cè)點(diǎn)98、109、120、131，推薦橋形方案橫向流速較大導(dǎo)致通航凈寬不滿足要求；比較橋形方案最大平均橫向流速為0.38 m/s，出現(xiàn)在測(cè)點(diǎn)109、120、131、142，比較橋形方案凈寬能夠滿足要求。

推薦橋形方案橫向流速較大的原因?yàn)樗髁飨蚺c橋軸線法線方向存在5.6°的夾角，加上橋墩尺寸較大且迎水面為直角，導(dǎo)致橋墩附近出現(xiàn)明顯水流繞流現(xiàn)象，水流在橋墩上游30 m范圍內(nèi)偏轉(zhuǎn)，水流流向與橋軸線法線方向的夾角變大，導(dǎo)致橫向流速也較大。由于橋位為規(guī)劃橋位，橋軸線唯一，跨徑由于其它因素?zé)o法加大，故優(yōu)化方案考慮推薦方案橋墩迎水面采取倒圓弧的結(jié)構(gòu)形式，半徑分別為2 m、3 m、4 m，推薦方案橋墩結(jié)構(gòu)優(yōu)化示意見(jiàn)圖2所示。

圖2 推薦方案橋墩優(yōu)化示意

3.2 優(yōu)化方案計(jì)算成果分析

根據(jù)橋墩優(yōu)化方案，在相同計(jì)算邊界條件及參數(shù)下，導(dǎo)出不同墩型通航水域范圍內(nèi)各測(cè)點(diǎn)的合成流速、與橋軸線法線方向的夾角，計(jì)算各測(cè)點(diǎn)的橫向流速，不同墩形各測(cè)點(diǎn)的流速、流向、橫向流速對(duì)比示意見(jiàn)圖3～5。

圖3 優(yōu)化方案各測(cè)點(diǎn)流速對(duì)比示意

圖4 優(yōu)化方案各測(cè)點(diǎn)流向?qū)Ρ仁疽?/p>

圖5 優(yōu)化方案各測(cè)點(diǎn)橫向流速對(duì)比示意

3.3 不同墩型計(jì)算成果分析

為更進(jìn)一步研究不同橋墩結(jié)構(gòu)形式對(duì)通航水流條件的影響，對(duì)比較橋形方案圓頭墩同寬度的片狀墩、圓柱墩(見(jiàn)圖6)的通航水流條件進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算成果見(jiàn)圖7～9。

圖7 不同墩型各測(cè)點(diǎn)流速對(duì)比示意

圖6 不同橋墩結(jié)構(gòu)形式示意(單位：m)

優(yōu)化方案及其他墩型通航水流條件關(guān)鍵參數(shù)橫流流速的對(duì)比分析見(jiàn)表1所示。

圖8 不同墩型各測(cè)點(diǎn)流向?qū)Ρ仁疽?/p>

圖9 不同墩型各測(cè)點(diǎn)橫向流速對(duì)比示意

由表1可知，方頭墩在采取倒角的優(yōu)化措施后，最大平均橫流出現(xiàn)的測(cè)點(diǎn)與優(yōu)化前一致，各測(cè)點(diǎn)合成流速變化不大，倒角半徑越大，橋軸線上游50 m范圍內(nèi)水流流向與橋軸線法線方向夾角有所減小，橫向流速也相對(duì)應(yīng)的有所減小。方頭墩、倒角2 m、倒角3 m、倒角4 m上游3倍代表船型長(zhǎng)度通航水域范圍內(nèi)最大平均橫向流速分別為0.49 m/s、0.49 m/s、0.47 m/s、0.46 m/s。通過(guò)對(duì)方頭墩進(jìn)行倒角，不利于通航凈寬計(jì)算的最大平均橫向流速有所減小。

表1 不同墩型各測(cè)點(diǎn)橫向流速對(duì)比

通過(guò)對(duì)比同寬度的片狀墩、圓頭墩、圓柱墩的通航水流條件，圓頭墩最大平均橫向流速最小，為0.38 m/s，圓柱墩、片狀墩分別為0.40 m/s、0.42 m/s，表明圓頭墩對(duì)通航水流條件的影響程度最小?？倢? m的片狀墩、圓頭墩、圓柱墩對(duì)應(yīng)的最大平均橫流都小于寬12 m的方頭墩對(duì)應(yīng)的最大平均橫流，表明橋墩越寬，對(duì)應(yīng)的橫向流速越大。

3.4 不同墩型通航水域流場(chǎng)分析

各墩型通航水域范圍內(nèi)橫向流速等值線見(jiàn)圖10～16所示。

圖10 方形墩通航水域橫向流速等值線示意

圖11 方形墩(倒角2 m)通航水域橫向流速等值線示意

由圖10～16可以看出，各墩型在通航水域范圍內(nèi)橫向流速分布總體變化不大，橫向流速較大區(qū)域均出現(xiàn)在左岸橋墩附近，由此可見(jiàn)，橋區(qū)河段對(duì)通航不利的橫向流速由橋墩附近水流繞流引起。

圖12 方形墩(倒角3 m)通航水域橫向流速等值線示意

圖13 方形墩(倒角4 m)通航水域橫向流速等值線示意

圖14 片狀墩通航水域橫向流速等值線示意

圖15 圓頭墩通航水域橫向流速等值線示意

圖16 圓柱墩通航水域橫向流速等值線示意

4 結(jié)語(yǔ)

1) 方頭橋墩通過(guò)倒圓角優(yōu)化方式可降低不利通航凈寬尺度的橫向流速值；橋墩尺寸越大，橫向流速越大，對(duì)通航凈寬尺度越不利；同寬度的圓頭墩結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的通航水域范圍內(nèi)橫向流速最小。

2) 過(guò)橋墩結(jié)構(gòu)形式對(duì)通航水流條件的影響研究，可有效解決城市通航河流上橋梁通航與景觀打造的矛盾，為橋梁建設(shè)方案提供了多樣化的選擇。