橋墩壅水效應(yīng)的影響因素與最優(yōu)橋墩墩型研究

肖素芬，魏乾坤，涂向陽

(1.廣東省水利水電技術(shù)中心，廣州 510635；2.珠江水利科學(xué)研究院，廣州 510610)

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，跨河橋梁、碼頭等涉河建設(shè)項目的數(shù)量日益增多，建設(shè)速度大幅加快，工程密度越來越高[1]。橋梁橋墩、碼頭樁基等涉水建設(shè)項目的下部結(jié)構(gòu)占用了河道過流斷面，導(dǎo)致建設(shè)項目上游產(chǎn)生壅水，會在一定程度上影響河道的防洪安全[2]。

國外對橋梁橋墩壅水效應(yīng)的研究可追溯至19世紀。1840年D' Aubuisson將恒定非均勻水流運動的伯努利方程運用到過橋水流中，提出了橋墩壅水計算公式[3]。從20世紀60年代開始，計算機技術(shù)開始應(yīng)用于橋墩壅水效應(yīng)研究。1974年J.T.Franques和D.W.Yannitell構(gòu)建了橋前壅水二元流分析的第一個有限元模型[4]。國內(nèi)公路和鐵路系統(tǒng)對橋梁橋墩壅水效應(yīng)的研究始于20世紀70年代末期，1998年長江大洪水之后水利部門對這一問題的研究逐漸增多[5-6]。

近期，橋墩壅水效應(yīng)的研究主要采用數(shù)值模擬方法或物理模型試驗方法。吳飛等[7]采用數(shù)值模擬方法分析了橋墩組中軸線與水流方向夾角過大時對河流局部流場影響；周勤等[8]采用數(shù)值模擬方法分析了斜交橋墩的阻水特性；丁偉等[9]采用數(shù)值模擬方法分析了涉河橋梁阻水的影響因素；張金明等[10]采用物理模型試驗方法研究了圓形橋墩上游水位壅高與橋墩阻水比、河道流速的對應(yīng)關(guān)系，并研究確定了方形橋墩的最優(yōu)側(cè)面曲線；李文文等[11]針對高樁碼頭樁群的水力特性開展了試驗研究。

以往的相關(guān)研究主要采用數(shù)值模擬方法研究橋墩壅水效應(yīng)[12-14]，采用物理模型試驗方法的研究成果相對較少。物理模型試驗方法直觀復(fù)制現(xiàn)實情況，直接獲取成果，可信度較高。珠江三角洲平原河網(wǎng)區(qū)經(jīng)濟快速發(fā)展，對河道的防洪任務(wù)要求越來越高[15]，有必要開展采用物理模型試驗方法，以平原河網(wǎng)區(qū)為背景開展橋墩壅水效應(yīng)影響因素研究，為橋墩布設(shè)，墩型的選擇和優(yōu)化提供參考。

1 研究方法

采用平原河網(wǎng)區(qū)河道的水流條件作為壅水影響因素研究的邊界條件平原河網(wǎng)區(qū)具備河床比降小，跨河橋梁工程阻水比小、水流流速不大、單個工程造成的壅水高度相對較小等特征，為保證研究精度，采用寬水槽橋墩壅水概化模型試驗的方法開展研究。

1.1 模型試驗寬水槽設(shè)計

模型按照重力相似準則與幾何相似準則設(shè)計，寬水槽長50 m、寬3.0 m、高0.7 m，模型布置如圖1所示。整個模型由地下循環(huán)水池、平水塔、量水堰、前池、寬水槽、尾門和回水渠組成的閉合系統(tǒng)，水泵將水從地下循環(huán)水池抽入平水塔，依次經(jīng)過量水堰、前池和寬水槽試驗段，最后通過尾門跌落至回水渠，進入地下循環(huán)水池。寬水槽內(nèi)的流量通過上游量水堰量測，水深通過尾門水位計調(diào)節(jié)控制。

圖1 模型及水位測點布置示意

1.2 水位測量

按照試驗選定的流速和水深計算上游來流量，再通過量水堰施放流量，利用下游水位儀及尾門調(diào)節(jié)水槽水位。

為保證測試到最大水位壅高，試驗在寬水槽縱向中心線上布置10個水位測點，橋墩所在斷面上游1～19 m布置10個水位測點，測點間距為2 m，同時跟蹤水位變化，并在橋墩所在斷面下游15 m(模型值)布設(shè)1個水位測點，作為水位控制點，水位測點布置如圖1所示。水位測量采用GS-3B光柵式跟蹤水位計，精度可達到0.1 mm，該水位計通過計算機系統(tǒng)自動測定水位，以避免人工測讀的誤差。

1.3 試驗?zāi)Ｐ驮O(shè)計

試驗采用正態(tài)模型與變態(tài)模型相結(jié)合方式，充分考慮橋墩主軸線與水流夾角對上游壅水影響。橋墩軸線與水流夾角小于50°時，水槽內(nèi)設(shè)置1排橋墩、橋墩軸線與水流夾角大于50°時，水槽內(nèi)設(shè)置2排橋墩。

河道模擬的有效寬度(垂直于水流方向的寬度)受橋墩軸線與水流夾角的增加而減小，不同橋墩軸線與水流夾角的模型平面比尺也不相同，模型平面比尺、垂直比尺以及變態(tài)率見表1所示，由表1可知，試驗平面比尺在23.57～36.67，垂直比尺按23.57選取，壅水試驗?zāi)Ｐ妥儜B(tài)率在1～1.56。不同橋墩軸線與夾角情況下，橋墩阻水比計算值見表2所示，模型布置如圖2所示。

表2 不同橋墩軸線與水流夾角橋墩阻水比

圖2 梁橋墩壅水概化試驗橋墩布置示意

1.4 試驗方案設(shè)計

在一定的水流條件和橋墩軸線與水流夾角情況下，對橋墩上游水位壅高進行測定?；谥榻侵藓泳W(wǎng)的水流條件，試驗選取原型6 m、8 m、10 m 3組水深，0.5 m/s、1.0 m/s、1.5 m/s、2.0 m/s 4組流速，0°、15°、30°、50°、70° 5組夾角進行組合試驗。

試驗墩型的選擇基于橋梁工程現(xiàn)狀，相關(guān)規(guī)范的要求，以及最新研究成果，選擇方墩、流線墩、圓墩3種墩型，對3種橋墩墩型的壅水特性進行研究。方墩、圓墩為現(xiàn)狀橋梁應(yīng)用最為廣泛的墩型，圓墩為相關(guān)規(guī)范推薦的涉河橋梁建議墩型，選擇方墩、圓墩作為試驗墩型具有較好的代表性。根據(jù)張金明等[10]的最新研究成果，具有最優(yōu)側(cè)面曲線，即橋墩側(cè)面曲線特征參數(shù)(曲線外凸寬度b′與橋墩長度L的比值)在0.071～0.083范圍內(nèi)的流線型墩，在相同阻水比條件下造成水位壅高最小，該成果對未來涉河橋梁墩型的選擇具有參考意義，本次試驗在最新研究成果的基礎(chǔ)上開展，采用橋墩側(cè)面曲線特征參數(shù)為0.071的流線墩作為試驗墩型之一。3種試驗墩型尺寸如圖3所示。

圖3 3種試驗墩型阻水部分截面及尺寸示意(單位：mm)

2 試驗結(jié)果

本研究以橋墩造成的壅水高度作為橋墩壅水效應(yīng)的控制指標，以按照選定的橋梁墩型及尺寸，試驗分別在一定的水流流速、水深、橋墩軸線與水流夾角等條件下，量測了不同橋墩墩型在10個測點的水位壅高試驗值，并統(tǒng)計水位壅高最大值，得到各試驗工況橋墩造成的水位壅高值，試驗成果見表3～表5。各試驗工況下，方墩的上游水位壅高值在0.00～28.28 cm范圍內(nèi)，流線墩在0.00～30.17 cm范圍內(nèi)，雙圓墩在0.12～8.72 cm范圍內(nèi)。

表3 方墩阻水壅高值

表4 流線墩阻水壅高值

表5 圓墩阻水壅高值

3 結(jié)果分析

3.1 水深、流速對橋墩壅水效應(yīng)的影響

由表3～表5可知，以水深8 m、橋墩軸線與水流夾角30°為例，流速從0.5 m/s增大到2.0 m/s，方墩造成的壅水高度從0.47 cm增大到4.36 cm，增大8.3倍；流線墩造成的壅水高度從0.24 cm增大到0.71 cm，增大12.8倍；圓墩造成的壅水高度從0.47 cm增大到3.62 cm，增大6.7倍。水流流速越大，橋墩的壅水效應(yīng)越強，造成的壅水高度也越高。

以流速2.0 m/s、橋墩軸線與水流夾角0°為例，水深從6 m增大到10 m，方墩造成的水位壅高值從1.46 cm減小到1.3 cm，減小11%；流線墩造成的水位壅高值從0.94 cm減小到0.57 cm，減小39%；圓墩造成的水位壅高值從0.94 cm減小到0.57 cm，減小30%。隨著水深越大，橋墩的壅水效應(yīng)有所減小。與水深變化的影響相比，橋墩壅水效應(yīng)對流速變化的敏感程度更高。

3.2 水流夾角對橋墩壅水效應(yīng)的影響

以水深H=6 m、v=1.5 m/s為例，對不同橋墩軸線與水流夾角的橋墩壅水影響分析。

由表3～表5可知，方墩上游水位壅高值分別為0.82 cm、1.65 cm、2.83 cm、7.54 cm和15.32 cm，流線墩上游水位壅高值分別為0.59 cm、0.96 cm、1.89 cm、6.84 cm和16.62 cm，圓墩上游水位壅高值分別為1.41 cm、1.89 cm、2.36 cm、2.83 cm和4.60 cm，在相同水流條件下，上游水位壅高值均隨橋墩軸線與水流夾角的增加而增大，尤其是方墩和流線墩，在夾角由0°增加至70°時，上游水位壅高值分別增加了15.3倍和27.2倍，而雙圓墩只增加了2.3倍，可見，方墩和流線墩的壅水影響對橋墩軸線與水流夾角的變化比較敏感。

以橋墩軸線與水流夾角a=23°為界，當a>23°時，方墩與流線墩引起的上游水位壅高值受夾角變化的敏感度較強，即隨著夾角增大，橋墩上游水位壅高值的增加速率也越大，圓墩引起的上游水位壅高值受夾角變化的敏感度相對較弱；在a<23°時，3種墩型橋墩上游水位壅高值較小，受夾角變化的敏感度也相對較弱，其中，在a≤15°時，3種墩型上游水位壅高值均在2.0 cm以內(nèi)，而流線墩上游水位壅高值在1.0 cm以內(nèi)。

由橋墩上游水位壅高值與橋墩軸線與水流夾角的關(guān)系曲線可知(見圖4)，方墩(流線墩或圓墩)上游水位壅高值均隨橋墩軸線與水流夾角的增加而增大，且隨著橋墩軸線與水流夾角的增大，橋墩上游水位壅高與夾角關(guān)系曲線斜率也逐漸增大，即在橋墩墩型、尺寸以及流速一定時，橋墩上游水位壅高受橋墩軸線與水流夾角變化而不同，橋墩軸線與水流夾角是影響橋墩壅水的主要因素之一。

圖4 橋墩上游水位壅高與角度的關(guān)系示意(v=1.5 m/s)

在進行工程大橋橋墩軸線布置時，要避免橋墩軸線與水流大夾角的出現(xiàn)，尤其是流速較大的河段，建議橋墩軸線與水流夾角控制在15°以內(nèi)，同時建議橋墩墩型選用流線墩；若工程布置中無法避免而出現(xiàn)橋墩軸線與水流夾角較大時，建議橋墩墩型選用壅水影響相對較小的圓墩，以有效的降低工程建設(shè)對河道上游水位壅高的影響。

3.3 橋墩墩型對橋墩壅水效應(yīng)的影響

試驗水流條件下、不同橋墩軸線與水流夾角時，3種墩型橋墩上游水位壅高與墩型的關(guān)系曲線見圖5。

圖5 橋墩上游水位壅高與墩型的關(guān)系示意(H=8 m)

以水深H=8m為例，當橋墩軸線與水流夾角在0°～23°時，圓墩上游水位壅高值最大，方墩次之，流線墩最?。划攰A角在23°～35°時，方墩上游水位壅高值最大，圓墩次之，流線墩最??；當夾角在35°～56°時，方墩上游水位壅高值最大，流線墩次之，圓墩最小；當橋墩軸線與水流夾角大于56°以后，流線墩上游水位壅高值最大，方墩次之，圓墩最小。

對試驗給定的3種墩型引起的橋墩上游水位壅高值進行分析，當橋墩軸線與水流夾角小于23°時，方墩與流線墩引起的上游水位壅高值均較小，且兩種墩型橋墩上游水位壅高值相差不大，建議在橋墩軸線與水流夾角小于23°時，工程橋墩選用流線墩或方墩，其中以流線墩為最佳；當橋墩軸線與水流夾角在23°～35°時，流線墩引起的上游水位壅高值最小，建議工程橋墩選用流線墩；當橋墩軸線與水流夾角大于35°，圓墩引起的上游水位壅高值在3種墩型中最小，建議在橋墩軸線與水流夾角大于35°時，工程橋墩選用圓墩。

4 結(jié)語

本研究采用寬水槽物理模型試驗的方法，對3種橋墩墩型引起的橋墩上游水位壅高進行量測，對不同水流條件下橋墩的壅水效應(yīng)進行研究，對影響橋墩壅水的主要因素進行分析，從減少橋墩壅水的角度，為墩型的選擇提出建議，試驗成果及相關(guān)結(jié)論如下。

1)對各試驗工況3種橋墩墩型上游水位壅高值進行量測，對橋墩壅水系數(shù)進行計算，其中方墩上游水位壅高值在0.00～28.28 cm；流線墩上游水位壅高值在0.00～30.17 cm；圓墩上游水位壅高值在0.00～8.72 cm。

2)試驗研究表明，在橋墩尺寸一定時，影響橋墩壅水的主要因素包括橋墩墩型、水流流速、水深以及橋墩軸線與水流夾角等，其中水流流速越大、水深越淺，橋墩壅水效應(yīng)越強，與水深變化的影響相比，橋墩壅水效應(yīng)對流速變化的敏感程度更高。

3)試驗研究表明，當橋墩軸線與水流夾角在15°以內(nèi)時，橋墩上游水位壅高值相對較小，從減少橋墩壅水的角度，建議盡量減小橋梁橋墩主軸線與水流的夾角，建議控制在15°以內(nèi)，以降低工程建設(shè)對行洪影響，橋墩墩型以流線墩為最佳。

4)若在工程線路布置中出現(xiàn)無法避免橋墩軸線與水流夾角較大的情況，從減少橋墩壅水的角度，橋墩軸線與水流夾角在23°～35°時，建議橋墩采用流線墩，橋墩軸線與水流夾角大于35°時，建議橋墩采用圓墩，以降低工程與水流的相互影響。

除橋墩壅水效應(yīng)以外，橋墩的布置，墩型的選擇還應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)形式、近岸沖刷效應(yīng)、對河勢穩(wěn)定的影響等諸多因素，墩型選擇應(yīng)全面考慮個因素限制、影響的條件下綜合確定。