河橋梁墩柱形態對水體流動影響研究

王濤　張祎

【摘 要】橋梁工程的興建大大加快了交通運輸的發展，為人類社會經濟活動的開展提供了保障。十九世紀末，學術界注意到橋墩會對河道內的水體流動產生一定的影響：由于水流過橋墩時需克服阻力，在橋墩前會形成一定的水位壅高，使得橋墩附近流速變化，并影響附近的床面形態，形成橋墩沖刷坑。流場的變化和沖刷坑的形成增加了兩岸的防洪壓力并且威脅橋梁本身。

【關鍵詞】橋梁工程；阻水效應；水位壅高

橋墩阻水帶來的過流和壅水問題是一個古老的水力學問題。在國外，從19 世紀后期就開始了橋梁壅水的調查分析和試驗研究工作。我國從20世紀50年代后期，開始進行橋梁和路堤壅水試驗研究工作，20世紀80年代中期，我國學者為降低防洪水頭的昂貴費用，要求對橋墩壅水高度做出精確的預報，對實際工程中常用的六種墩型的橋墩引起的壅水問題，用現代試驗方法和測量儀器進行較為系統的模型試驗研究。此后，采用經驗分析、物理模型試驗和簡化的水力學方法及橋渡壅水沖刷經驗公式對這一問題進行研究得到了廣泛應用。

胡旭躍等采用粒子圖像測速技術，對直槽和彎槽中圓柱周圍近區表層的速度分布進行了測量，分析所得數據發現橋墩壓縮水流，橋孔內流速明顯增大。何建國，方紅衛等提出了從模型對不同收縮比條件下橋墩繞流情況的計算采用的k-ε紊流模型能夠很好的給出紊動黏性系數的分布情況和變化趨勢， 并據此計算出橋墩后部背水區的水流漩渦情況。

祖小勇等在概化水槽中進行，位定床模型試驗，得出以下結論（1）在平行于橋墩中截面，離墩頭和墩尾的距離分別為0.6倍和0.4倍墩長的斷面附近，存在表層水流斜向外底層水流斜向下的斜流；（2）發現各測點間兩種流速分布均存在一定差別，橋墩周圍水流橋受到橋墩和槽壁影響，脈動流速不符合正態分布；（3）墩尾存在回流和紊動劇烈區；（4）根據試驗結果分析計算得出了直道單墩情況下，圓端型橋墩紊流寬度與 Fr的相關關系。

黃爾，曹叔尤，劉興年，D.W.Knight應用試驗資料對拱橋法進行了驗證，發現拱橋法往往過高估計橋梁壅水。提出了計算復式河道橋梁壅水的邊灘等價河寬的概念和計算方法，計算出的橋梁壅水與試驗數據吻合良好。吉紅香，鄭靜，黃本勝，林美蘭，杜涓為了降低橋墩所造成的水位奎高，研究對排洪渠的擴寬、挖深進行了多方案試驗比較。且對擴寬并挖深1.0m做了水力學計算分析。周勤，尹崇清，張湛利用二維水深平均方程對不同斜交角度橋墩對水流的擾動進行了數值模擬。

丁偉等采用VOF（volume of fluid）方法和標準k-ε模型，對涉河橋梁橋墩附近河段三維流場進行了精細模擬，通過不斷改變橋墩寬、橋墩數、橋梁跨徑、橋墩和水流的夾角、橋梁和水流的夾角和橋墩的布置形式等，進一步分析各個因素對橋梁壅水的影響。計算分析成果表明橋墩在橋梁穩定的前提下，減少其寬度可以有效地降低壅水高度，同時雙圓柱型橋墩有利于降低壅水高度。橋墩軸線盡可能順應水流流向，橋梁軸線盡可能與水流流向垂直，至少要將夾角控制在大于65°。

黃東、鄭國棟、黃本勝，賴冠文等初步系統地調查了珠江三角洲橋梁的總體和局部分布、橋梁尤其是橋墩的結構形式、橋梁所在河段的河道特性及斷面特征等塞本情況。進行了三座典型橋梁的阻水水文觀測，對橋梁限水情況提出了初步的定性判斷，并為進行下一步的橋梁阻水研究提出了建議：修建橋梁前除對橋梁阻水問題進行近似計算外，還需通過物理模型或建立比較精密的局部數學模型進行較詳細的研究和論證。

河道橋梁橋墩對水體流動影響主要體現在橋墩的阻水效應上。在流量小時并不明顯，但是在洪水期卻十分顯著。橋墩的對水體流動影響所帶來的危害主要體現在兩方面。一方面橋梁壅水抬高了橋梁上游水位，增大了淹沒面積，滯蓄了洪水，從而增大洪水災害。如果流量過大，使洪水漫過橋梁，甚至沖毀橋梁，將造成更大的災害；而另一方面，橋孔約束水流，橋下流速增大，使原來水流與河床泥沙相對運動平衡狀態遭受破壞，導致橋墩橋臺附近發生局部沖刷，并引起橋墩周圍河床產生一定的沖淤變化，若橋墩周圍河床沖刷深度較大則可能危及橋梁自身的安全，同時也會對橋梁通航及行洪產生不利影響。

反觀橋梁建設方面，根據前人大量的建設經驗，橋墩形狀已經形成了一定的設計規范，達成設置為流線型或者圓墩柱頭的共識。在現今大城市的橋梁大多綜合考慮了橋墩阻水效應和工程實施復雜度，橋墩形態設計趨于統一和規范化。而在中小城市以及偏遠山區，橋梁的建設卻少有考慮橋墩對水體流動影響，橋墩形態不一，現在缺少對中小型河流橋墩形態的相關統計。

此外，國內外對橋墩影響水體流動的研究大部分為對阻水效應的具體數值計算和分析，忽略了對不同形態墩體的研究。并且，之前大多數的學者大多針對特定橋梁工程進行研究和探討，而少有研究橋梁阻水普遍特性。

不同形態的墩體由于阻水比的不同，壅水效果以及對墩體周圍水流流速的影響不同，導致了其附加阻水面積的不同。本課題小組將在南京周邊的河道全面統計考察不同橋梁墩體的各類數據，參考圖紙并建立模型，比較研究各種形態橋墩對河流阻水的影響。在研究方向上，本課題小組的研究將著重對不同形態墩柱阻水比對水流的影響以及附加阻水面積等方面進行分析，彌補前人在此方面研究的欠缺與空白，為今后可能發生的橋梁事故提供一種有效的解釋；其次，最大程度地減少后續橋梁建設對河道尤其是防汛安全管理的不利影響，也可為現已建成的橋梁工程緩解阻水效應提供一種可行的補救措施，對防汛工作將起到事半功倍的作用。在我國橋梁事業飛速發展的大好形勢下，具有重要的工程指導意義。 [科]

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