橋墩與下游潛壩局部沖刷相互影響研究

孫 賀，孟云祥，胡志毅，蔣 濤

西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，陜西 咸陽(yáng) 712100

橋墩局部沖刷研究主要包括三個(gè)方面，即研究沖刷誘因機(jī)理（如研究橋墩周圍復(fù)雜渦系），研究局部沖刷平衡沖刷深度影響因素，預(yù)測(cè)沖刷坑演變過(guò)程和局部沖刷坑形態(tài)及深度，以指導(dǎo)工程實(shí)踐[1]。我國(guó)學(xué)者易仁彥等[2]統(tǒng)計(jì)分析了2000年至2014年在我國(guó)發(fā)生的179起非地震原因?qū)е碌臉蛄禾鹿实脑?，發(fā)現(xiàn)運(yùn)營(yíng)期發(fā)生事故的情況最多（占59%），其中32.78%是因?yàn)楹樗疀_刷和侵蝕破壞了橋墩或橋臺(tái)基礎(chǔ)的穩(wěn)定。

管大為等[3]對(duì)潛壩研究進(jìn)展進(jìn)行了整理分類，同時(shí)說(shuō)明對(duì)于潛壩沖刷的數(shù)值模擬研究較少。田艷[4]以巨亭水電站為研究對(duì)象，利用數(shù)值模擬獲取過(guò)水?dāng)嗝娴南嚓P(guān)參數(shù)，將結(jié)果與模型試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)果符合。為了研究泥沙起動(dòng)、輸移對(duì)沖刷的影響，程燁[5]進(jìn)行了流場(chǎng)和沖刷的模擬，所得結(jié)果與實(shí)際工程較為符合。

目前相關(guān)規(guī)范中也尚未有針對(duì)跨河橋梁與潛壩間距的明確規(guī)定，因此針對(duì)橋墩與潛壩局部沖刷的研究極其重要。

1 研究方法

此次數(shù)值模擬以Wang等[6]所用的水槽試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑樵?，水槽模型試?yàn)參數(shù)如表1所示，模型計(jì)算域范圍如圖1所示。計(jì)算域上、下游邊界以不干擾橋墩與潛壩上下游紊流發(fā)展為界，以兩側(cè)壁面邊界對(duì)圓柱繞流無(wú)影響為原則，取定計(jì)算域總長(zhǎng)度為365cm，約76D（D為橋墩直徑）；寬度為44cm，約9D；高度為42cm，約8.75D。其中進(jìn)口邊界位于橋墩上游222cm（46.25D）處，出口邊界位于橋墩下游143cm（以橋墩中心為基準(zhǔn)）處，上下游河床均設(shè)置為動(dòng)床，床沙層厚度為11cm（2.3D），橋墩邊壁至潛壩邊壁間的距離為L(zhǎng)。

圖1 模型試驗(yàn)布置圖

表1 Wang試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖嚓P(guān)參數(shù)

邊界條件設(shè)置如圖2所示，數(shù)值計(jì)算邊界條件如下：（1）進(jìn)口采用速度進(jìn)口（specified velocity），進(jìn)口流速v=33.1cm/s；（2）出口采用壓力出口（specified pressure），控制下游尾水水位為15cm；（3）對(duì)于水槽邊壁、底部，因?yàn)樗鞯淖饔?，不?huì)使其變形或者產(chǎn)生位移，設(shè)置為墻壁（Wall)；（4）由于網(wǎng)格頂部觸及空氣，采用壓力邊界條件，邊界壓力為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓強(qiáng)（specified pressure=0）。

圖2 邊界條件設(shè)置

2 數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證

將數(shù)值模擬結(jié)果與Wang沖刷試驗(yàn)資料進(jìn)行比較分析，從水流流態(tài)及沖刷坑形態(tài)驗(yàn)證兩方面驗(yàn)證數(shù)值模擬的正確性。

2.1 水流流態(tài)驗(yàn)證

將橋墩繞流沖刷數(shù)值模擬結(jié)果與Wang經(jīng)典沖刷試驗(yàn)橋墩所在橫剖面水面線進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比圖如圖3所示，試驗(yàn)與數(shù)值模擬中，在橋墩兩側(cè)，水面均有由兩側(cè)向橋墩邊緣下傾的趨勢(shì)，這與試驗(yàn)結(jié)果相一致。

圖3 橋墩中心橫剖面水面線圖對(duì)比圖（單位：m）

2.2 沖刷坑形態(tài)驗(yàn)證

沖刷坑形態(tài)對(duì)比圖如圖4所示。由圖4對(duì)比Wang物理模型試驗(yàn)觀測(cè)的橋墩前局部沖刷坑形態(tài)與數(shù)學(xué)模型計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，數(shù)值計(jì)算與物理模型試驗(yàn)的沖坑形態(tài)吻合較好。沖刷坑的高程分布規(guī)律基本一致，計(jì)算所得的最大沖刷深度為5.5cm，位于橋墩迎流面兩側(cè)約45°范圍內(nèi)。對(duì)比模型試驗(yàn)最大沖刷深度為5.8cm，相對(duì)誤差為5%，最大沖刷深度對(duì)比驗(yàn)證表如表2所示。

圖4 沖刷坑形態(tài)對(duì)比圖（單位：cm）

表2 最大沖刷深度對(duì)比驗(yàn)證表 單位：cm

綜上所述，數(shù)學(xué)模型中的流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果能較好地與文獻(xiàn)資料數(shù)據(jù)相吻合，得到了合理的數(shù)值解，能夠較好地反映出橋墩周圍局部沖刷的形態(tài)以及預(yù)測(cè)最大沖刷深度，故該數(shù)學(xué)模型的網(wǎng)格和數(shù)值方法能夠滿足數(shù)值計(jì)算要求。

3 不同工況下數(shù)值模擬結(jié)果分析

就不同橋墩與潛壩間距、潛壩高出河床面高度對(duì)橋墩與潛壩沖刷相互影響分別進(jìn)行計(jì)算。參考相關(guān)研究的物理模型試驗(yàn)工況結(jié)果，取水流流量為Q=22L/s進(jìn)行清水沖刷計(jì)算，橋墩-潛壩間距為0、1D、2D、3D、4D、6D（潛壩高于河床3cm）和橋墩-潛壩間距為2D情況下，潛壩高于河床高度1.8cm、3.0cm、4.2cm作為工況對(duì)比，數(shù)學(xué)模型中的具體計(jì)算工況和參數(shù)如表3所示。

表3 數(shù)學(xué)模型試驗(yàn)工況參數(shù)表

橋墩與潛壩最大局部沖刷深度與兩者間距的關(guān)系如圖5所示。由圖5可見(jiàn)，當(dāng)L=0.7D時(shí)，橋墩與潛壩的最大沖刷深度基本相等，此時(shí)可認(rèn)為既考慮了橋墩周圍沖刷防護(hù)作用，又兼顧了潛壩的防護(hù)作用。

圖5 橋墩與潛壩最大局部沖刷深度隨兩者間距的變化規(guī)律

4 潛壩高度對(duì)沖刷規(guī)律的影響

不同壩高橋墩沖刷坑最大沖刷深度歷時(shí)曲線如圖6所示。從圖6可以看出，隨著橋墩下游潛壩露出河床面高度的增加，橋墩周圍的局部沖刷減小，這是因?yàn)樵黾訅胃邏吻佰账龈撸瑴p小了橋墩周圍局部水面比降，降低了橋墩附近流速，從而使橋墩周圍沖刷減小。另外值得注意的是，隨著壩高的增加，橋墩沖刷坑后方的沙脊更加明顯，這是由于潛壩對(duì)橋墩繞流尾渦交替脫落的干擾引起的，壩高越高，隔流阻斷作用更強(qiáng)。

圖6 不同壩高橋墩沖刷坑最大沖刷深度歷時(shí)曲線

不同壩高潛壩下游沖刷坑最大沖刷深度歷時(shí)曲線如圖7所示。從圖7可以看出，隨著橋墩下游潛壩露出河床面高度的增加，潛壩下游局部沖刷規(guī)律影響并非線性變化。由前文分析可知，對(duì)于清水沖刷，潛壩的沖刷是由越過(guò)壩頭的自由跌水沖擊下游河床表面而引發(fā)。在上游存在橋墩且距離較近時(shí)，橋墩繞流的紊動(dòng)作用會(huì)使?jié)搲蜗掠螞_刷加劇。當(dāng)潛壩高于河床面高度較小時(shí)，限制橋墩繞流效果不明顯，壩前水流容易越過(guò)壩頭且橋墩繞流直接作用于壩下河床，兩者疊加使得在H=1.8cm時(shí)的潛壩下游沖刷強(qiáng)度高于H=3.0cm的情況。當(dāng)H=3.0cm時(shí)，潛壩有效減弱了橋墩繞流對(duì)壩下游河床的劇烈紊動(dòng)作用，避免了直接沖刷；當(dāng)H=4.2cm時(shí)，由于此時(shí)壩高高出床面較大，對(duì)于壩上水流相當(dāng)于隔流屏障，雖然有效減弱了橋墩繞流對(duì)下游的影響，但由于壅水過(guò)高，壩頂水流勢(shì)能增大，水位抬升較高，水流越過(guò)壩面后形成強(qiáng)烈的跌水沖擊下游河床，引起劇烈的沖刷。

圖7 不同壩高潛壩下游沖刷坑最大沖刷深度歷時(shí)曲線

由此可見(jiàn)，在河道流量一定的情況下，橋墩下游潛壩的壩高越高，壩前壅水高度越大，橋墩周圍水面比降減小越大，橋墩周圍流速越低，沖刷深度越小，起到了保護(hù)橋墩的作用。但是壩高越高，壅水越會(huì)嚴(yán)重影響河道行洪，同時(shí)增強(qiáng)了跌水沖擊，下游沖刷加劇。因此，要選擇合適的壩高才能既對(duì)橋墩起到保護(hù)作用，又不會(huì)引起潛壩下游的劇烈沖刷。從安全方面考慮，建議潛壩高出河床面高度以3.0cm（0.625D）為宜。

自此，綜合考慮橋墩與潛壩間的距離L和潛壩高于河床面高度H的影響，實(shí)質(zhì)上是在選擇合適的H與L的比值，文章定義此為有效壩高間距比i，即

在文章的計(jì)算條件下，可取H=1.8cm、3.0cm、4.2cm工況對(duì)比，應(yīng)取H=3.0cm。結(jié)合綜合分析，橋墩與潛壩間距應(yīng)取L=0.7D，故有效壩高間距比i宜取0.893。為更加準(zhǔn)確地確定有效壩高間距比i值，應(yīng)充分研究考慮水深、流速、橋墩直徑、墩型、泥沙粒徑、級(jí)配等影響。

5 結(jié)束語(yǔ)

文章在橋墩、潛壩以往研究總結(jié)的基礎(chǔ)上，對(duì)于Wang試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行了水流流態(tài)和沖刷坑深度方面的驗(yàn)證，表明了所建數(shù)值模型的可靠性。在此基礎(chǔ)上，綜合考慮橋墩與潛壩間的距離L和潛壩高于河床面高度H的影響，提出了有效壩高間距比概念用于橋墩與潛壩布置距離和潛壩壩高選擇標(biāo)準(zhǔn)。研究結(jié)果表明，有效壩高間距比宜取0.893。