啞鈴形咬合樁圍堰水流力作用試驗研究

劉 勇,祝 兵,張程然,,張家瑋

(1.四川公路橋梁建設集團有限公司,成都 610041； 2.西南交通大學,成都 610031)

引言

圍堰的水流力作用是橋梁施工中的一個重要問題。由于內陸河流普遍存在較大流速，因此水流力是圍堰設計和施工中必須考慮的主要荷載之一，同時在施工期間可能遭遇洪水侵襲對結構可靠性提出更高的要求。圍堰設計和施工安全將直接受到水流阻力系數大小的影響。不僅為圍堰的浮移定位提供依據，而且為推廣新的圍堰形式和施工方法提供技術支持。隨著跨江跨海大型橋梁建設的發展，對橋梁圍堰水流力作用進行系統研究，對施工圍堰的設計和施工具有重要的理論意義和實用價值。

在結構水流力的研究中，最常見的是圓柱形結構的水流力問題。國內外眾多研究者對此類單樁或多樁結構的水流力開展了研究。研究主要為數值方法的湍流模型和雷洛數影響等問題[1-8]。針對橋梁基礎水流力的研究，主要通過模型試驗和數值模擬的方法，并提出順水流方向水流力的計算方法。陳策等[9]對橋梁中塔沉井基礎下沉過程中在水流中的受力特性開展了模型試驗研究，并對相應規范所取的水流阻力系數進行探討。胡勇等[10]通過數學模型和物理模型試驗相結合的方法，對不同形狀橋梁圍堰在不同工況下的水流力進行系統研究。劉通[11]采用三維數值模擬的方式，研究了橋梁基礎常見的圓形、方形和圓端形3種截面柱體的在高雷諾數三維繞流問題。劉浪[12]采用數值模擬和試驗的方法，研究了圓形橋墩和矩形橋墩的在不同波浪和水流組合下的荷載總力，比較了Morison和MacCamy等計算方法的適用范圍，并提出不同波流組合下對應的簡化計算方法。杜修力等[13]考慮水體可壓縮性，提出了一種計算大直徑深水圓柱結構所受動水壓力的時域算法。

近年來，啞鈴形圍堰同樣廣泛用于橋梁的主墩基礎施工。一些學者對復雜形狀圍堰結構的波浪力作用進行了研究。遆子龍等[14-15]基于三維繞射理論和現場實測，研究了啞鈴形和圓端型圍堰波浪壓力的分布特點。祝兵等[16-17]基于三維波浪與結構物相互作用的數學模型，模擬了圓端形、啞鈴形圍堰下沉施工的波浪力作用。Kim等[18-19]通過數值模擬研究了波紋型外表面的圓柱形圍堰的水動力特性，發現其相較于普通表面能夠進一步減小水流引起的動水壓力。Liang等[20]對海河特大橋鋼管圍堰在施工期間的應力、應變等進行了現場實測，并與有限元計算模擬的方法進行了對比。

本研究以正在建設中的川南城際鐵路宜賓臨港長江大橋為研究背景，其3號主墩圍堰采用啞鈴形咬合樁圍堰形式，由于所處區域水位湍急，最大流速度可達4.0 m/s，每年面臨洪水期，最大水深21.2 m。針對啞鈴形圍堰的特殊形狀，通過模型試驗和數值模擬的方式，對不同水流條件下、不同施工階段圍堰結構在水流中的受力特性進行研究。從而為制定合理可行的施工工藝和施工方案提供技術依據。

1 試驗概況

1.1 模型設計

本次模型試驗采用的圍堰結構參考正在修建的宜賓臨港長江大橋3號主墩圍堰。圍堰長邊為84.54 m，短邊長50 m。以該啞鈴形圍堰為原型，按1∶100比例尺制作圍堰模型，如圖1所示。模型材料采用有機玻璃，中空且下部密封。模型高0.5 m，圓柱直徑0.5 m，模型尺寸和高程的誤差均控制在±1.0 mm以內。

1.2 試驗布置

試驗在西南交通大學波流水槽中進行，水槽尺寸為1.8 m(高)×2.0 m(寬)×60 m(長)。水槽一端設置推板造波機可制造波浪，另一端設置消波灘以削弱波浪與水流的反射作用。造流系統由軸流泵、測控系統、數據分析系統等構成，計算機自動控制產生雙向及單向流場，最大造流寬度2.0 m，最大造流深度1.2 m。水流傳播至圍堰結構時，作用包含縱向水流力Fx(沿水流傳播方向)、橫向水流力Fy(垂直水流傳播方向)。水流力采用測力天平傳感器測量。試驗時將天平傳感器用支架懸固在水槽中段，再將試驗模型通過剛性支架連接在測力天平上，圍堰模型頂部高于水面的最大接觸范圍。圍堰模型及測力天平見圖2，水槽試驗布置見圖3。

圖1 啞鈴形圍堰模型尺寸示意(單位：mm)

圖2 圍堰模型及測力天平

圖3 水槽試驗布置(單位：m)

1.3 試驗參數及數據采集

試驗時固定水深0.8 m，圍堰模型吃水深度分別為0.2 m和0.4 m。考慮到雷諾數變化對于結構水流力的影響，試驗分別測試不同流速下的作用力，u=0.1，0.2，0.3，0.4，0.5，0.6 m/s。水流夾角考慮0°，5°，10°，15°，20°，25°，30°。在安裝模型前，將多普勒流速儀V1和V2固定于模型中心點處和模型前方2 m處，測試同一流速狀態下，不同高度處的流速，當流速u=0.3，0.6 m/s工況下，兩處水流沿高度分布情況如圖4所示。由圖4可知，除水槽底部由于邊界效應導致的流速減小外，由0.3 m高度處至自由液面附近的水流流速基本呈均勻分布，且沿水槽方向流場基本保持一致，說明該水槽均勻流場能夠較好地滿足試驗要求。水流測試時，通過流速儀監測水流穩定后，進行水流力數據采集，數據采集頻率200 Hz。每組試驗重復3次。試驗過程中，天平傳感器在每次測量前清零。

圖4 水流流速沿垂向高度分布

2 試驗結果分析

2.1 流速對水流力的影響

為分析流速對水流力的影響，固定水流夾角θ=0°，分別測試流速為0.1～0.6 m/s時的圍堰水流力。通過水流力時程數據的統計平均值，得到水流力隨流速的變化規律，如圖5所示。并根據圍堰參數計算得到各流速下對應的順向和橫向力系數，如圖6所示。

圖5 水流力均值隨流速的變化規律

圖 6 水流力系數隨流速的變化規律

作用于圍堰模型的作用力按體軸坐標系轉換得到縱向力系數和橫向力系數，按下式定義

縱向力系數CD=FD/(0.5ρU2bL)

橫向力系數CL=FL/(0.5ρU2aL)

式中，FD為沿結構長軸方向的水流力；FL為垂直于結構長軸方向的水流力；0.5ρU2為水流動壓；a、b、L分別為節段模型的截面長度(0.845 m)、截面寬度(0.5 m)和吃水深度。由圖5、圖6可知：圍堰順向水流力隨著行近流速的增大而增大，約與流速的平方成正比，但在低流速下與速度平方關系存在一定差異。對于同一結構，在不同流速下的水流力系數是基本一致的，但受到雷諾效應的影響，其水流力系數存在一定變化，通過不同流速進行測試，得到水流力系數在高流速下的結果趨于穩定。

2.2 吃水深度對水流力的影響

為分析吃水深度對水流力的影響，固定水流夾角θ=0°，分別測試吃水深度為0.1～0.4 m時的圍堰水流力。通過水流力時程數據的統計平均值，得到水流力隨吃水深度的變化規律，如圖7所示。由結果可知，順向與橫向水流力隨吃水深度增大而增大，與吃水深度近似成正比關系。

圖7 水流力均值隨吃水深度的變化規律

2.3 水流夾角對水流力的影響

為分析水流夾角對水流力的影響，固定吃水深度為0.2 m，分別測試0°，5°，10°，15°，20°，25°，30°水流夾角的水流力結果，如圖8所示。由結果可知，順向與橫向水流力隨吃水深度增大而增大，與吃水深度近似成正比關系。由圖8可知，隨著流向角增大時，水流方向與結構長軸方向的夾角增大，沿順向的水流速度分量減小，橫向速度分量增大，使得順向(結構長軸方向)水流力略有減小，橫向(與結構長軸方向垂直)水流力非線性增大。

圖8 水流力均值隨水流夾角的變化規律

圖9 數值模擬網格示意

3 CFD數值模擬

由于圍堰結構外形沿高度方向不變，可簡化模擬二維流場，流動為非定常不可壓。采用Fluent軟件，基于雷諾時均N-S方程，湍流模型為標準k-ε模型，實現二維流場的模擬。壓力速度耦合選用PISO算法，離散格式為二階迎風插值，時間步長為10-4s。計算結果取氣動力系數時程均值。

采用實際圍堰尺寸模型進行建模。上下邊界到結構的距離為10倍圍堰寬度。入口采用速度邊界，距結構中心為圍堰長度12倍，出口距結構中心為圍堰長度12倍，采用壓力出口邊界，主梁外壁為無滑移的壁面，近壁面以標準壁面函數處理。

首層網格單元厚度為0.001 m，單元厚度自內而外按等比數列遞增，相鄰網格單元膨脹率控制不超過1.2。在流場變化劇烈的地方劃分較密的網格，然后逐漸過渡，外部網格劃分較疏，以使網格更能適應流場的變化。網格數約12萬個。流場網格如圖9所示。

對比工況選取0°，5°，10°，15°，30°水流夾角度，流速為歷史最大流速4 m/s。其中0°，15°，30°工況下的計算流場如圖10所示。由圖10可以發現，隨著水流夾角度的增加，在圍堰結構后方產生更加明顯的渦旋流場。

圖10 不同水流夾角下的流場示意

數值模擬與試驗結果對比如表1所示。由表1可知，CFD可以較準確地反映CD、CL隨水流夾角的變化趨勢，在0°水流夾角情況下，由于對稱結構橫向力較小，因此其數值誤差相對較大，水流夾角較大的情況下的計算結果更加接近。同時根據實際尺寸所獲得的水流力系數與試驗結果接近，說明試驗結果可以用于實際工程比例的水流力計算。

表1 CFD計算值與實驗值的對比

4 結論

(1)圍堰順向水流力隨著行近流速的增大而增大，約與流速的平方成正比，但在低流速下與速度平方關系存在一定差異。對于同一結構，在不同流速下的水流力系數是基本一致的，但受到雷諾效應的影響，其水流力系數存在一定變化，通過不同流速進行測試，得到水流力系數在高流速下結果趨于穩定。

(2)順向與橫向水流力隨吃水深度增大而增大，與吃水深度幾乎成正比關系；隨著水流夾角的增大，順向水流力略有減小，橫向水流力非線性增大。

(3)采用原始比例的數值模擬能夠與水槽試驗結果基本吻合，試驗結果可以用于實際工程比例的水流力估算。