臨桂新區太平河彎曲河段渡槽槽墩水流特性數值模擬分析

賈 旭

（湖南省建工集團有限公司，湖南 長沙 410000）

0 前言

根據臨桂新區工程設計，按照防洪標準，太平河河道需滿足100年一遇洪水標準，原太平河河道寬度將由20 m增加至不小于40 m。同時，為減少新修河道占用周邊農田，并與周邊環境相協調，新設計河道岸線在下游處曲率逐漸變大，與渡槽走向斜交。同時，原渡槽下方，當地村民依墩建有通行簡易板橋需同時進行拆除，為不影響后續行人通行，設計方案中確定將渡槽與橋梁同時改建，故而，太平河渡槽改建包含渡槽及人行橋兩部分內容。重建渡槽位于新設計河道彎段，設計時僅考慮槽墩與渡槽中心線垂直，未考慮河道內水流方向，為確定槽墩與水流是否順直，本文針對河道水流流場進行模擬分析。

1 渡槽現狀

太平河位于桂林市臨桂新區境內，太平河渡槽位于河道中部，原渡槽跨度與老河道寬度基本相同，長度約20 m，渡槽為簡支梁式，共3跨，4個槽墩，河道中間槽墩為單矩形柱式，采用漿砌石砌筑，槽身寬度約0.6 m，原渡槽使用年限較久，槽身及槽墩結構已有多處漏水、脫落，加之跨度不滿足新河道寬度，故新渡槽改建方案確定將老渡槽進行拆除，并在原址處修建新渡槽。

2 渡槽優化方案分析

2.1 原設計方案水流特性分析

照前述渡槽改建內容，設計單位結合太平河河道設計岸線確定了渡槽設計初步方案，新建渡槽設計過水流量與原渡槽相同，同樣采用簡支梁式渡槽，每跨9.6 m，設4個槽墩及兩個邊墩，槽墩由槽身及人行橋共用，兩者并列平行布置。渡槽外空尺寸為0.9 m×1.1 m（寬×高），人行橋橋面寬2.3 m，河道內槽墩為適應水流采用圓端形墻狀墩身，槽墩尺寸為4.4 m×0.6 m。

槽墩原設計初衷是為適應水流要求，盡可能減少槽墩對水流影響，降低水流對槽墩的沖擊，提高槽墩的穩定性。然而，由于渡槽需要在原址上重建，該部位位于新設計河道彎段，設計時僅考慮槽墩與渡槽中心線垂直，未考慮河道內水流方向，為確定槽墩與水流是否順直，需先對河道水流流場進行模擬。本文選用程凱等二維模型的計算與實測數據對比結果[1]，采用二維模型平面模型對彎曲復式河道進行模擬計算。

根據初步設計水文分析資料，太平河河道入口20年一遇洪水流量為121 m3/s，按照河道斷面形式計算入口處平均流速0.67 m/s,同時算得河道水力半徑為2.67 m。

基于Wilson等利用激光多譜勒測速儀（LDV）測量室內動床河灣模型中的二次環流[2]，并將測量結果與標準k-ξ雙方程模型計算結果比較。表明在采用合理網格布置和差分格式的前提下，標準k-ξ紊流模型能夠較好地預測彎曲河道中的主流和二次流流速。

直角坐標系下，標準k-ξ模型的湍動能及其比耗散率輸運方程為：

式中：Gk為由層流速度梯度產生的湍流動能；Gω為由ω方程產生的湍流動能；Tk和Tω為k和ω的擴散率；Yk和Yω為由擴散而產生的湍流。

FLuent軟件中提供了除標準k-ξ模型外的其他兩種k-ξ模型，包括RNG模型以及Realizable模型，針對雷諾數較高的情況（Re＞105），結合標準壁面函數，采用Realizable k-ξ模型，數值計算精度較高。

通過設置監測點獲得無槽墩情況下槽墩上游面中心所在位置處流速及速度方向，監測點由左岸至右岸分別為P_1、P_2、P_3、P_4。數值計算后速度場及監測點流速及速度方向統計，見圖 1、表 1。

圖1 河道流場圖

表1 監測點數據統計表

根據以上數值模擬結果，在彎段修建渡槽，采用圓端形槽墩，墩柱軸線與流速方向存在一定角度，對水流條件影響較大。

2.2 渡槽優化設計方案

為緩解上述問題，工程提出新的渡槽設計，即采用對不均勻流場適應性較強的單圓柱形槽墩，槽墩直徑為0.8 m。

新建渡槽設計過水流量與原渡槽相同，同樣采用簡支梁式渡槽，每跨9.6 m，設4個槽墩及兩個邊墩，槽墩由槽身及人行橋共用，兩者并列平行布置。渡槽外空尺寸為0.9 m×1.1 m（寬×高），人行橋橋面寬2.3 m，河道內槽墩為適應水流采用圓端形墻狀墩身，槽墩尺寸為4.4 m×0.6 m。

3 槽墩繞流數值模擬

3.1 計算模型

為評價新方案單圓柱形槽墩與原設計方案對水流的影響，本文采用與河道流場分析相同的Fluent軟件進行數值模擬。

3.2 模型建立

根據李彬，孫東坡等研究[3]，橋梁與水流斜交且橋墩為圓端形時，橋墩阻水寬度計算采用下式：

式中：B為橋墩阻水寬度，L為橋軸線法線方向的橋墩寬度，b為橋軸線方向的橋墩寬度，α為橋墩長軸軸線與水流方向間夾角。

計算結果見表2。

表2 槽墩特征長度

分別建立同條件下各種槽墩的入流模型，各槽墩尺寸不變，圓端形槽墩與水流方向角度取前述確定角度，計算區域以槽墩直徑和阻水寬度中的大值D為特征長度，計算域的長寬分別為30D和20D，槽墩中心距上游及下游面分別為10D和20D，距離左右側均為10D。

3.3 邊界條件及求解設置

數值模擬時，邊界條件選用速度入流和自由出流；流場的上下邊界采用對稱邊界條件，以減少邊界對水流的影響；槽墩設定為無滑移壁面條件，入流速度及與槽墩的夾角均采用前述計算結果。

求解器為基于壓力的分離式求解器，采用二階隱式時間格式的非定常流動進行計算，壓力與速度的耦合計算采用PISO算法，壓力的離散為二階精度離散，動量方程采用二階迎風格式，計算中壓力、密度、體積和動量項的欠松弛因子分別為0.7、1、1、0.7。

3.4 阻力系數

阻力是流體對槽墩的沿流動方向的壓力，即為槽墩對水流的阻滯作用力。根據阻力系數公式，計算槽墩阻力系數，見下式：

式中：Fd為流體作用于單位長度柱體上沿順流方向的分力。

結果見表3。

表3 各類型槽墩阻力系數

經過數值模擬后的速度流線見圖2～圖6。

圖2 1#槽墩速度矢量圖

圖3 2#槽墩速度矢量圖

圖4 3#槽墩速度矢量圖

圖5 4#槽墩速度矢量圖

圖6 圓柱形槽墩速度矢量圖

4 結果分析

1）通過圖2～圖6可以看出，1#～4#圓端形槽墩偏轉一側出現漩渦，漩渦的位置與流速大小及軸線偏轉角度大小均相關，隨著槽墩偏轉角度增大，漩渦位置往上游方向偏移，流速越大漩渦面積越大，而新方案中圓柱形槽墩漩渦均位于槽墩下游位置，與槽墩相對位置固定。

2）通過表2槽墩阻力系數表統計可看出，隨著墻狀槽墩偏移角度的增大，槽墩對水流阻力系數呈增大趨勢，而新方案中圓柱型槽墩阻力系數遠小于墻狀槽墩，對水流的阻滯較小，故新方案中圓柱形槽墩水流條件較好。

5 結語

通過方案比選，可見采用單圓柱形槽墩在結構穩定性及對水流影響方面均優于原方案設計中圓端形槽墩。同時，圓柱形槽墩對彎段水流適應性強，槽墩基礎設計具有更加明顯的針對性。因此，在河道岸線多變、水流條件復雜的河道，跨河建筑物推薦采用單圓柱形槽墩或橋墩。