河床中值粒徑對橋墩沖刷坑演化過程的影響

高 虎，王秋生

(北京工業大學 城市與工程安全減災教育部重點實驗室，北京 100124)

1 研究背景

水流遇到橋墩時，河道橫截面由于橋墩的存在而減小，會使水流發生擾動，在橋墩周圍形成非常復雜的三維流場。伴隨著同樣復雜的泥沙運動，橋墩周圍發生局部沖刷使橋墩基礎的埋深減小。這使得橋梁承載力減小，進而導致橋墩的坍塌，造成不可估量的損失。根據Shirolet[1]的研究，美國在過去的30 a中，有超過1 000座橋倒塌，其中大約有60%的橋梁水毀與橋墩的沖刷破壞有關。易仁彥[2]收集了國內在2000年之后15 a的106起橋梁坍塌事故，發現有半數以上的破壞是由橋墩的局部沖刷導致的,局部沖刷嚴重影響了橋梁的安全。現階段，對于局部沖刷作出準確的預測是迫切且重要的。

基于泥沙運動的動理學理論和流體力學的橋墩局部沖刷的數值模擬理論得到了廣泛的應用。Olsen等[3]最先運用三維數值模擬的方法研究了橋墩的局部沖刷，將泥沙的輸運方程耦合到納維斯托克斯方程方程中，進而計算出了橋墩的最大沖刷坑深度，印證了橋墩沖刷的三維模擬是可以實現的。Hoffmans和Booij等[4]在假定流體靜壓分布和拋物線解法的情況下，驗證了流速、泥沙濃度的測量值與計算值是一致的。凌建明等[5]通過網格動態劃分技術、標準的k-ε湍流模型和流體體積函數模型對三維的橋墩周圍流場進行數值模擬，得到了橋墩附近的切應力分布圖。Khosronejad等[6]研究了URANS模型對各種橋墩 (圓柱形、方形和菱形)的預測能力，結合曲線浸入邊界法對k-w紊流閉合的控制方程進行了數值求解，計算結果表明不同形狀的橋墩在沖刷深度和沖刷速度上是存在差別的，且數值模擬結果的精確度也存在差別。……