大中型輸水明渠雙圓柱橋墩阻水特性分析

劉 科，范聰喆，趙敏歌，劉紅陽

（1.陜西省江河水庫工作中心,陜西 西安 710018；2.南水北調(diào)中線干線工程建設(shè)管理局河南分局,河南 鄭州450018）

1 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,國家水資源調(diào)配體系逐步完善,繼南水北調(diào)輸水工程之后,引漢濟(jì)渭、引江濟(jì)漢等一系列大型引水工程相繼開工建設(shè)和運(yùn)行,這些引水工程由于規(guī)劃布置和社會(huì)地理等客觀因素制約,不可避免與其他跨河建筑物產(chǎn)生空間重疊,而跨河橋墩作為明渠內(nèi)常見的水工建筑物,不僅會(huì)降低其過流能力,影響其輸水效能,而且產(chǎn)生的不利流態(tài)會(huì)對(duì)渠道產(chǎn)生功能性破壞。因此針對(duì)大中型輸水明渠中跨河橋墩阻水特性研究很有必要。橋墩阻水特性研究作為水力學(xué)傳統(tǒng)領(lǐng)域,在不同時(shí)期引起眾多學(xué)者的關(guān)注,通常利用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算、物理模型模擬、數(shù)值軟件計(jì)算等方法對(duì)橋墩阻水效應(yīng)進(jìn)行了大量研究。其中,王玲玲等[1]采用數(shù)值模擬方法研究平原地區(qū)河道橋墩壅水效應(yīng),以阻水比為變量,從墩前沖高和橋前壅高的產(chǎn)生機(jī)制分析橋墩壅水特性。高晨晨等[2]利用物理試驗(yàn)成果驗(yàn)證數(shù)學(xué)模型,基于數(shù)學(xué)模型分析了圓端形橋墩水動(dòng)力特性,總結(jié)了橋墩阻水比和來流流速對(duì)橋前壅水和墩前沖高的影響規(guī)律；探究了單圓墩阻水效應(yīng)空間分布規(guī)律及其阻水系數(shù)取值新方法。韓露等[3]利用高精度測(cè)量系統(tǒng)采集墩周特殊區(qū)域的水位過程線,通過分析墩周壅高尺度,驗(yàn)證了阻水效應(yīng)特性與流態(tài)因素存在的新聯(lián)系。定量分析了墩柱阻水效應(yīng)的空間影響范圍及水位變化的空間分布特征,推求墩柱阻水系數(shù)計(jì)算的新公式。陳文學(xué)等[4]利用Flow3D 軟件模擬了南水北調(diào)中線工程中常見的圓柱型橋墩（單排、雙排和三排橋墩）的阻水特性,分析表明,單排橋墩壅水的數(shù)值模擬結(jié)果與Yarnell 修正公式計(jì)算結(jié)果相近；多排橋墩綜合壅水值隨橋墩排數(shù)的增加而增加。

綜上所述,關(guān)于河道內(nèi)橋墩的繞流特性研究較為成熟,并且利用數(shù)值模擬方法具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì),本文針對(duì)大中型輸水明渠開展渠內(nèi)雙圓柱橋墩阻水特性研究,分析某一橋墩布置下典型渠道的流態(tài)分布及壅水效應(yīng),研究墩前沖高和墩后跌水的變化規(guī)律。

2 模型建立

2.1 模型概況

分析國內(nèi)大中型輸水渠道的相關(guān)研究資料[5-7],確定以南水北調(diào)總干渠中段一個(gè)順直渠段為研究背景,概化相關(guān)參數(shù)為：梯形斷面布置,相關(guān)尺寸見圖1,渠道底寬14.5 m,渠深10 m,邊坡坡比為1∶2.25,渠道縱比降為1/28000,設(shè)計(jì)水深7.1 m。本次模擬渠道長(zhǎng)度為500 m,其中橋前300 m,橋后200 m。結(jié)合模擬實(shí)際情況,選取此渠段某一公路橋?yàn)檠芯繉?duì)象,跨河橋梁采用圓柱形雙墩橋?qū)ΨQ布置,橋墩直徑D=1.8 m,間距10 m,模型平面布置見圖2。

圖1 模型渠道斷面尺寸（尺寸單位：cm）

圖2 模型平面布置圖（尺寸單位：cm）

2.2 控制方程

本文利用MIKE 軟件對(duì)河道橋墩進(jìn)行水動(dòng)力數(shù)值模擬。流體動(dòng)力學(xué)計(jì)算（CFD）的實(shí)質(zhì)是在計(jì)算域內(nèi)對(duì)水流控制方程進(jìn)行離散迭代求解,獲得計(jì)算域內(nèi)的水動(dòng)力因子,數(shù)值模擬的理論基礎(chǔ)為流動(dòng)控制方程。

（1）質(zhì)量守恒方程

式中：xi、ui和ρ分別表示在i方向上的空間坐標(biāo)、流體流速和流體密度。

（2）動(dòng)量平衡方程

式中：fi、i分別表示平均壓強(qiáng)、i方向上的重力分量和流體粘性；是由Boussinesq 假設(shè)推得的紊流雷諾應(yīng)力,采用k-ε方程,則具有如下表達(dá)式：

2.3 網(wǎng)格剖分及邊界條件

根據(jù)河道概化參數(shù),結(jié)合軟件特性,建立布置橋梁的渠道模型,利用SMS 軟件的三角形無結(jié)構(gòu)網(wǎng)格（ADCIRC）對(duì)模型計(jì)算區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格剖分,為提高橋墩附近區(qū)域計(jì)算精度,對(duì)橋墩附近網(wǎng)格進(jìn)行加密處理,見圖3,網(wǎng)格單元總量為60290 個(gè)。模型利用MIKE21 水動(dòng)力學(xué)模塊（Hydrodynamic）進(jìn)行計(jì)算,上游開邊界采用流量邊界,數(shù)值為285 m2/s,下游開邊界采用水位邊界（0 m 水位,7.1 m 水深）。計(jì)算時(shí)間按300 s 穩(wěn)定計(jì)算。

圖3 橋墩附近網(wǎng)格

2.4 模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證數(shù)學(xué)模型的的可行性,利用上述條件,對(duì)無工程下的明渠模型進(jìn)行求解,結(jié)合薛海[8-9]等人試驗(yàn)數(shù)據(jù),將計(jì)算成果與物理試驗(yàn)成果進(jìn)行對(duì)比分析,見圖4,為無工程渠道與對(duì)應(yīng)模型渠道水流流態(tài)（縱向中心線沿程方向流速分布）驗(yàn)證結(jié)果,圖中顯示模擬值和實(shí)測(cè)值趨勢(shì)基本一致,說明本次計(jì)算模型的所選參數(shù)相對(duì)合理。

圖4 數(shù)值模型計(jì)算結(jié)果與物理模型試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證

3 結(jié)果分析

3.1 流場(chǎng)流態(tài)分布規(guī)律

圖5和圖6 分別為雙圓柱橋墩附近區(qū)域的流速變化分布圖及壅水變化圖。由圖可知,當(dāng)河道水流趨于穩(wěn)定時(shí),由于圓柱橋墩使河道渠道斷面束窄,墩周流速變化較大（無工程下渠道平均流速為1.3 m/s）,墩前和墩后水流流速均降低,墩前水流流速降幅較大且形成圓形狀低流速區(qū)域,墩后形成較大范圍的長(zhǎng)條狀低速區(qū),周圍流體紊動(dòng)性增強(qiáng),出現(xiàn)水體回流,回流強(qiáng)度最大可達(dá)0.3 m/s；橋墩的阻擋使水流分向兩側(cè),形成穩(wěn)定的高速水流區(qū),最大流速增量為0.8 m/s 左右。結(jié)合圖5 分析圖6,渠道壅水（水位）分布比較明顯,以橋墩橫向中心線斷面為分界線,上游平均壅水高度維持在1.6 cm 左右。墩前出現(xiàn)與流速分布圖中低流速區(qū)尺度相近的壅水特征,墩后2 m 位置出現(xiàn)3 m2左右的水位上升區(qū)（較下游水位而言,與流速分布有所差異,是因?yàn)槎蘸螽a(chǎn)生的卡門渦街具有周期性,出現(xiàn)上下交替的旋渦）,墩兩側(cè)出現(xiàn)與流速分布圖中高流速區(qū)尺度相近的跌水。以上分析表明橋墩的存在使渠道過流能力明顯降低,并在周圍產(chǎn)生較惡劣水流流態(tài)。

圖5 橋墩附近的流速變化分布

圖6 橋墩附近的水位變化分布

3.2 墩周壅水分布規(guī)律

根據(jù)橋墩的壅水效應(yīng)和阻水特點(diǎn),本文采用墩后跌水和墩前沖高兩個(gè)指標(biāo)進(jìn)行壅水特性分析,圖7 為雙圓柱橋墩墩前及墩前3D、墩前5D 位置處斷面內(nèi)的沖高分布曲線,圖8為墩后及墩后3D、5D 位置處斷面內(nèi)的跌水分布曲線,整個(gè)過程的水面線變化見圖9,結(jié)合圖5、圖6 分析圖7～圖9 可得：

圖8 墩后各斷面跌水分布

圖9 水位壅高縱向分布曲線

1）由于橋墩阻擋作用,墩前區(qū)域的水流流速急劇下降,產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)換導(dǎo)致附近小范圍的水位驟升,升高值最高達(dá)到4.5 cm,且隨距墩前斷面的距離的增加快速減小,在墩前3D 位置處沖高已衰減70%左右,在墩前5D 位置處水面線幾近持平。

2）水流繞過橋墩,以較高流速到達(dá)后方,形成跌水和旋渦,最大跌水位于橋墩正后方,可達(dá)2.5 cm,在墩后3D 位置處跌水高度和范圍較墩后均縮減90%左右。墩后5D 位置處跌水稍低于墩后3D 位置處,但總體上水面線變化趨勢(shì)不大。

3）由圖7 可知,渠道中軸線和雙墩中軸線的水位變化規(guī)律存在較大差異,橋墩中軸線水位落幅大于渠道中軸線,兩線在上游15 m 處逐漸重合并向上延伸形成壅水曲線。較墩前沖高而言,河道中軸沿線的橋前壅水較平緩,平均壅水高度僅1.5 cm,低于墩前沖高；較墩后跌水而言,由于雙橋墩的對(duì)渠道中心水流擠壓效應(yīng)的疊加,使渠道中軸線斷面內(nèi)水流速度加快,水位降低,在渠道中軸線兩側(cè)以外,雙墩中軸線以內(nèi)區(qū)域內(nèi)水流強(qiáng)紊動(dòng)性疊形成局部跌水,跌水深度高于墩后跌水。

圖7 墩前各斷面壅水分布

4 結(jié)論

通過對(duì)南水北調(diào)中線某順直渠道內(nèi)布設(shè)雙圓柱橋墩渠道進(jìn)行過流數(shù)值模擬,分析渠道內(nèi)墩周流態(tài)分布規(guī)律及阻水特性,結(jié)論如下：

（1）橋墩的存在使渠道過流能力明顯降低,并在周圍產(chǎn)生較惡劣水流流態(tài)。

（2）墩前最大沖高值及墩后最大跌水值均在貼近墩周附近位置,墩前3D 位置處沖高和墩后3D 位置處衰減分別為70%和90%,墩前5D 位置處和墩后5D 位置處水位變化與上下游穩(wěn)定水位基本持平。

（3）橋前壅水影響范圍相對(duì)較大,但壅水值較小,雙墩束縛作用造成河道中軸沿線附近存在最大跌水。