典型橋墩局部沖刷及防護特性數值模擬研究

(1.中鐵大橋勘測設計院集團有限公司，湖北 武漢 430050; 2.南京水利科學研究院，江蘇 南京 210029; 3.水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，江蘇 南京 210098)

涉水橋梁橋墩的阻水作用，必然導致水流(海流)與泥沙相互作用發生變化。橋墩局部沖刷的發生，也促使河(海)床作出相應調整，不僅影響到橋梁所在河段的演變趨勢，而且還可能威脅到橋梁建筑物本身的安全與穩定。對橋墩局部沖刷深度的可靠預測以及采取適當的沖刷防護措施是保證橋梁安全運行的基礎，因此必須對橋墩局部沖刷及防護引起足夠重視[1]。

對于單向流作用下的橋墩局部沖刷問題，國內外研究者通過一個多世紀的研究，已經取得了相對比較成熟的研究成果[2-4]。但隨著沿海經濟的快速發展，大型跨海橋梁的建設越來越多，跨海灣(河口)橋梁基礎所處的海域往往具有水深、浪高、雙向非恒定潮流等水動力條件復雜的特點，使現有單向流沖刷研究成果難以適用于跨海橋梁基礎的沖刷問題[5]。目前，對于跨海橋梁基礎的沖刷研究還處于初級階段，國內已建的、在建的跨海大橋橋梁基礎的沖刷大都通過專門的水槽模型試驗專題測定[6-7]，就物理模型而言，除了投資大、存在比尺效應外，還存在周期長、可移植性差等缺點，難以完全適應多因素、大范圍、多方案的工程規劃問題。因此，應用數學模型研究這類問題，無疑是今后的發展方向。本文通過FLOW-3D建立波流共同作用下的三維橋墩沖刷及防護數學模型，針對典型橋墩在波流作用下的沖刷及防護特性進行了研究分析，其研究方法可為類似研究提供參考，其研究結果亦具有重要的理論價值和現實意義。

1 數值模型建立及驗證

1.1 模型建立

該數學模型設置了長16.675 m、寬13.34 m、高0.3 m的長方體區域為計算的區域。模型橋墩為圓柱橋墩，高5.0 m，直徑66.7 cm或36.0 cm，橋墩位于距離模型最前端 10.005 m(即為圓柱直徑的10倍)處。在X方向，對橋墩前后1 m范圍內進行了局部加密，劃分的網格單元數為150個；在Y方向，橋墩左右1m范圍內，劃分的網格單元數為120個，模型的總體網格設置為180×170×100個。模型的平面圖和網格劃分如圖 1所示。

圖1 模型的平面圖和網格劃分示意

1.2 模型驗證

本文數值模擬研究及驗證采用文獻[5]的物理模型，該模型采用1∶1的設計比尺,具體設置如下：動床面長6 m，寬5 m，泥沙床面厚度 0.3 m，泥沙選用中值粒徑 0.12 mm、分選系數為1.15的粉砂，試驗中水深0.467 m，選取3種不同來流流速，分別為4.23，7 cm/s和10.06 cm/s。選擇2種不同墩柱直徑，分別為36 cm和 66.7 cm。各組試驗中，水深恒定，在物理模型實驗中，加上波浪的作用，選取11組不同波高和波浪周期進行試驗，具體組次安排見表1。

表1 數值模擬和物理模型試驗組次

注：D為橋墩直徑，h為模型水深，v為邊界流速，H為入射波高，T為入射波周期。

邊界上面的設置完全按照1∶1輸入表1的流速、波高、水深和波浪周期值。驗證結果如圖 2所示。結果表明，所建模型模擬效果較好。

圖2 最大沖刷深度實測值與模擬值對比

2 橋墩水沙動力特性分析

2.1 流速分布特性

如圖 3(a)所示，在橋墩的前方泥沙區域，有明顯的馬蹄形漩渦產生，而且沿墩柱的豎直方向，由上至下的下泄水流明顯，這是因為橋墩結構物阻礙了水流的前進，致使橋墩前端的水面出現明顯的壅高現象，且在橋墩前端部分達到最高值。如圖 3(b)所示，當水流作用接觸橋墩時會發生繞流，系統設置墩柱邊壁的流速為無流速，由于橋墩兩側繞流的存在，流速較大。橋墩迎水面阻水的能力阻礙了水流，產生了壅水現象，也使橋墩前端部分的流速減小為零。壅水現象是向下豎直水流產生的原因。

圖3 墩柱附近流速結構示意

2.2 沖刷特性分析

以第二組數值模擬為例：在墩柱周圍選取6個特征斷面，分別是X=-R、0、R與Y=-R、0、R，由圖 4(a)～(f)所示，沖刷從400 s到500 s的過程中，沖刷深度的量逐漸減小，沖刷漸漸趨近動態平衡。從400 s的斷面沖刷量到500 s的斷面沖刷量，沖刷增加量僅為橋墩墩半徑的1.36%，基本達到了沖淤平衡。在沖淤平衡時刻，沖刷最大深度為 8.2 cm，與實驗值進行比較，相差僅 1.8 cm，說明模型計算具有一定準確性。

圖4 不同特征斷面沖淤變化

3 防護結果分析

3.1 防護位置對沖刷的影響

設置了3種高程,研究防護高度對沖刷的影響:①工況1:當Z=0.29 m時，護圈埋在泥沙中；②工況2:Z=0.31 m時，護圈保護結構物與泥沙面齊平;③工況3:Z=0.32 m時，護圈保護結構物的底面距動床床面距離為1 cm。其中Z為護圈結構物距離床沙頂部的距離，具體示意見圖 5。

圖5 保護結構物沖刷示意

如圖 6所示，當護圈結構物與動床床面齊平的情況下，最大沖刷深度的減小量最大，護圈保護結構物抑制沖刷效率最高(其中，R為護圈橋墩保護結構物的半徑，r為橋墩半徑)。

圖6 不同擺放位置時的最大沖刷深度比較

3.2 防護面積對沖刷的影響

為研究防護面積對橋墩沖刷的影響，設置3種防護面積，R=0.29r，R=0.31r及R=0.32r。根據已有研究成果分析，當護圈擺放在相同的相對床面高度時，不同的護圈半徑對于最大沖刷深度的影響不同，若護圈半徑增大，將會使最大沖刷深度明顯減小，抑制沖刷效率增加。

如圖 7所示，隨著護圈半徑增大，在相同護圈相對高度的情況下，最大沖刷深度明顯較小，這是由于護圈半徑增大后，更多地阻礙了橋墩周圍的紊動水流對泥沙的淘刷，水流對橋墩周圍的泥沙的侵蝕作用隨著護圈的增加而不斷減小，使橋墩周圍的泥沙沖刷量也急速減小。護圈結構物半徑增加的過程中，對于橋墩周圍泥沙的保護作用是不斷加強的。

圖7 不同護圈半徑下的最大沖刷深度比較

4 結 論

(1)FLOW-3D模型能準確模擬出橋墩四周的三維紊動流態，包括馬蹄形漩渦、尾渦擺動以及邊界層分離，而且表現出墩柱迎水面下泄水流對橋墩迎水面底部的沖刷作用。

(2)FLOW-3D在計算三維橋墩局部沖刷有下列特點：模型能夠在很短的模擬時間之內，快速達到沖刷動態平衡，而且達到沖刷動態平衡時刻的最大沖刷深度值與物理模型試驗實測值相差約在10%～30%之間。

(3)護圈保護結構物對于橋墩四周的局部沖刷有較好的抑制作用，可有效保護橋墩四周的泥沙不被三維的紊動水流侵蝕。研究表明：當護圈保護結構物與泥沙床面齊平的時候，護圈保護結構物直徑越大，保護效果越好；護圈結構物與泥沙床面齊平的時候保護效果最好，這種方案優于護圈浮于泥沙床面以及護圈與泥沙床面距離較遠的情況。

參考文獻:

[1] 韓海騫, 熊紹隆, 孫志林. 潮流作用下橋墩局部沖刷深度計算公式的建立與驗證[J]. 泥沙研究, 2016(1): 9-13.

[2] 祝志文, 喻鵬. 中美規范橋墩局部沖刷深度計算的比較研究[J]. 中國公路學報, 2016，29(1): 36-43.

[3] 梁森棟, 張永良. 大橋復合橋墩局部沖刷深度的計算分析[J]. 水利學報, 2011，42(11): 1334-1340.

[4] Khosronejad, A., S. Kang, F. Sotiropoulos. Experimental and computational investigation of local scour around bridge piers[J]. Advances in Water Resources, 2012，37(1): 73-85.

[5] 劉德良. 波浪與水流共同作用下大尺度建筑物周圍的局部沖刷[D].大連:大連理工大學,2004.

[6] 張新燕, 呂宏興,沈波. 圓柱橋墩局部沖刷機理試驗研究[J]. 水利水運工程學報, 2012(2): 34-41.

[7] 房世龍, 錢俊峰,陳紅. 圓柱橋墩清水局部沖刷透水三桿架體防護特性試驗研究[J]. 水電能源科學, 2015(8): 98-102.