橋墩阻水比對(duì)彎道河流流速分布的影響

黃靖軒, 陶濤， 孫小雙, 路明*, 汪海倫

(1.河北工程大學(xué)水利水電學(xué)院， 邯鄲 056001； 2.海河水利委員會(huì)漳河上游管理局， 邯鄲 056001； 3.北京國(guó)土丹青工程技術(shù)有限公司， 北京 100089)

橋梁建成后，橋墩壓縮原有河道過(guò)水?dāng)嗝妫斐捎行н^(guò)流面積減小，導(dǎo)致局部水位壅高。同時(shí)，橋墩改變周圍流場(chǎng)，產(chǎn)生局部沖刷，影響橋墩安全。許多學(xué)者對(duì)順直河道內(nèi)橋梁鋪設(shè)進(jìn)行了深入研究。王開等[1]結(jié)合水工模型試驗(yàn)資料，分析了用于橋墩阻水計(jì)算的D’Aubuisson公式、Yarnell公式、Henderson公式、無(wú)坎寬頂堰公式和修正Yarnell公式的適用條件。嚴(yán)建科等[2]在直線型水槽內(nèi)研究橋梁軸線與水流流向成不同夾角時(shí)的流速分布特性，發(fā)現(xiàn)多排橋墩會(huì)相互影響，靠近下游橋墩水流結(jié)構(gòu)會(huì)受到上游橋墩鄰近、剪切和尾流三種機(jī)制的影響。何貞俊等[3]對(duì)不同墩型引起的墩前水位壅高進(jìn)行分析，得到橋墩最優(yōu)側(cè)面曲線特征參數(shù)b′/L為 0.071～0.08，并給出不同水流夾角條件下墩型選用原則。孫東坡等[4]通過(guò)分析順直河道上斜交橋附近的水位與流速，改進(jìn)了計(jì)算斜交橋壅水的方法，并給出阻水寬度折算系數(shù)。在數(shù)值模擬方面，李彬等[5]使用MIKE21軟件對(duì)斜交橋河道局部流場(chǎng)進(jìn)行模擬，結(jié)果表明斜交橋阻水效果明顯，圓柱橋墩應(yīng)盡量順?biāo)鞑贾谩ＴS棟等[6]通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)斜交橋墩壅水特性開展研究，發(fā)現(xiàn)最大水位壅高隨橋墩斜向角度先增大后減小。王玲玲等[7]利用數(shù)值模擬研究平原河道橋墩阻水比與壅水特性關(guān)系，發(fā)現(xiàn)阻水比7%是平原河道橋前水位壅高特性的重要分界點(diǎn)。

圖1 模型試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1 Model test system

在自然界中，彎曲型河流是常見的河流形態(tài)，具有極為復(fù)雜的三維水流特征。目前有關(guān)彎道水流特有的水力特性前人已經(jīng)進(jìn)行了廣泛的研究，白玉川等[8]研究了常曲率U型彎道典型斷面的水流紊動(dòng)特性，揭示了彎道水流的三維特性和分布規(guī)律。曹玉芬等[9-10]研究了連續(xù)曲率彎道水槽水流結(jié)構(gòu)變化，發(fā)現(xiàn)水面在彎道處發(fā)生扭曲，最大橫比降位于各彎段彎頂下游。王路等[11]對(duì)壅水條件下彎道流速分布規(guī)律進(jìn)行研究，結(jié)果表明壅水程度越大，流速分布越均勻。馬淼等[12]對(duì)7種不同彎曲度的彎道進(jìn)行數(shù)值模擬，研究了彎道彎曲度對(duì)水流結(jié)構(gòu)的影響。童思陳等[13]研究了彎道水流縱向流速剖面的變化，給出了流速剖面沿程和橫向的變化趨勢(shì)。凃洋等[14]對(duì)180°彎道水槽內(nèi)的水流表面縱向、橫向流速進(jìn)行測(cè)量與分析，研究了兩者的分布規(guī)律。對(duì)于在彎曲河道內(nèi)布設(shè)橋墩的研究成果目前較少。路明等[15]通過(guò)模型試驗(yàn)，研究了彎曲河道內(nèi)橋墩布設(shè)對(duì)河道沖刷及防洪安全的影響。郭輝等[16]研究了彎道處橋墩水流沖擊規(guī)律，發(fā)現(xiàn)凹岸橋墩所受水流沖擊力大于凸岸。實(shí)際工程中，彎曲河道內(nèi)橋墩對(duì)流速的影響較大，而此方面的研究還相對(duì)較少，因此現(xiàn)設(shè)計(jì)相關(guān)試驗(yàn)，研究橋墩阻水比對(duì)彎道河流水力特性的影響，以期為實(shí)際工程提供指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

模型試驗(yàn)在室內(nèi)有機(jī)玻璃水槽中進(jìn)行。彎道試驗(yàn)水槽圓心角為45°，內(nèi)徑4 m，外徑4.8 m，寬0.8 m，高0.4 m，彎曲段中心線曲率半徑為4.4 m。模型循環(huán)系統(tǒng)主要由進(jìn)水槽、引流直線段、彎道試驗(yàn)段、尾水段及控制尾門、蓄水池、供水系統(tǒng)、流量計(jì)等部分組成，在直線段內(nèi)設(shè)有兩道穩(wěn)水柵。試驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)進(jìn)水管道閥門控制上游來(lái)流流量，控制尾門開度來(lái)調(diào)節(jié)水位。流量計(jì)量采用電磁流量計(jì)，計(jì)量精度為0.01 L/s。模型試驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示。

1.2 橋墩布置

橋墩阻水比M即橋墩阻水面積與過(guò)流面積之比。本文研究中橋梁共分4組，每組橋梁布置5個(gè)圓形橋墩，直徑分別為1.5、2、2.5、3 cm，相鄰橋墩間距為17.5 cm，對(duì)應(yīng)阻水比分別為9.4%、12.5%、15.6%和18.8%。兩側(cè)邊墩距水槽邊壁5 cm。橋梁與水流流向正交布置。

1.3 流速測(cè)量

橋墩上下游布設(shè)8個(gè)測(cè)量斷面，其中，斷面1、斷面5、斷面8布設(shè)9條垂向測(cè)線，其他斷面各布設(shè)5條垂向測(cè)線，并在各條垂線上布置6～8個(gè)流速測(cè)點(diǎn)，測(cè)量斷面布置如圖2所示。水流流速采用挪威Nortek AS公司三維點(diǎn)式超聲波流速儀測(cè)量，利用Data Conversion命令將測(cè)得的流速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成由流速值組成的流速系列，取平均值作為測(cè)點(diǎn)流速。

1.4 試驗(yàn)工況

試驗(yàn)采取兩種來(lái)流流量，由尾門調(diào)節(jié)水深和流速，試驗(yàn)工況如表1所示。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 主流位置變化規(guī)律

以進(jìn)口水深7.72 cm、弗勞德數(shù)Fr=0.50工況為例，無(wú)橋墩時(shí)彎道水槽內(nèi)斷面1、5、8內(nèi)流速分布情況如圖3所示。

從圖3看出，橋墩布設(shè)前受彎道環(huán)流影響，水槽內(nèi)水流流速最大值由斷面1距凸岸22.5 cm逐漸偏移至斷面5距凸岸40 cm，進(jìn)而發(fā)展至斷面8距凸岸48.8 cm，表明主流位置在彎道進(jìn)口處偏向凸岸一側(cè)，隨流程增加逐漸向凹岸偏移。

布設(shè)橋墩后，河道斷面流速分布如圖4所示。從圖4中可以看出，主流位置發(fā)生改變。相對(duì)于無(wú)橋工況，阻水比為9.4%和12.5%時(shí)，流速最大值由斷面1距凸岸31.3 cm處偏移至斷面8距凸岸 40 cm 處；而阻水比為15.6%和18.8%時(shí)，流速最大值則由斷面1至斷面8一直維持在距凸岸40 cm附近。由于橋墩阻滯作用造成流速減小，且阻水比越大流速越小，水流流經(jīng)彎道時(shí)產(chǎn)生的離心力隨之減小，減緩了水流向凹岸偏移的趨勢(shì)，因此水流主流趨于集中在彎道水槽中間部位，且隨橋墩阻水比增大，彎道內(nèi)主流位置更加趨于集中在中間部位。

圖2 橋墩上下游測(cè)量斷面布置Fig.2 Layout of measuring sections upstream and downstream of piers

表1 試驗(yàn)工況及水力學(xué)參數(shù)

圖3 無(wú)橋墩時(shí)典型斷面內(nèi)流速分布Fig.3 Velocity distribution in typical section without pier

圖4 典型斷面內(nèi)流速分布Fig.4 Velocity distribution in typical section

2.2 縱向流速垂線分布

彎道水流縱向流速垂線分布與順直河道差別很大，橋墩布設(shè)后使得彎道水流縱向流速分布更加復(fù)雜。為研究不同阻水比下縱向流速u沿垂線的分布規(guī)律，選取墩前斷面3與墩后斷面4為典型斷面，分別選擇靠近凸岸、中心線和凹岸三條測(cè)線作為研究對(duì)象，繪制不同工況的斷面縱向流速垂線分布圖。

2.2.1 墩前斷面

墩前斷面3縱向流速垂線分布如圖5所示。從圖5可以看出，兩組工況下，無(wú)橋墩時(shí)斷面縱向流速沿垂線分布沒(méi)有呈現(xiàn)出順直型河道中對(duì)數(shù)或指數(shù)流速分布形式，且在凸岸區(qū)、中心區(qū)和凹岸區(qū)呈現(xiàn)出不同程度的波動(dòng)；布設(shè)橋墩后，隨著橋墩阻水比增加，墩前斷面內(nèi)縱向流速沿垂線分布更加均勻。

為進(jìn)一步比較各工況阻水比對(duì)縱向流速沿垂線分布的影響，進(jìn)行試驗(yàn)結(jié)果方差分析。計(jì)算結(jié)果如表2所示。

(1)

表2兩組工況下，墩前斷面3縱向流速方差在凸岸區(qū)、中心區(qū)和凹岸區(qū)均呈現(xiàn)出隨阻水比增大而減小的趨勢(shì)，表明墩前縱向流速沿垂線分布的波動(dòng)情況與阻水比呈負(fù)相關(guān)，阻水比越大，縱向流速波動(dòng)越小，沿垂線分布越均勻。原因在于阻水比增加，橋墩對(duì)水流的阻滯作用增強(qiáng)，使得墩前水位壅高增大，如圖6所示。

圖5 墩前斷面3縱向流速沿垂線分布Fig.5 Distribution of longitudinal velocity along vertical line of section 3 in front of piers

表2 墩前斷面3縱向流速方差比較

為探究弗勞德數(shù)與阻水比對(duì)墩前縱向流速分布影響的關(guān)系，分別計(jì)算兩組工況的墩前斷面3縱向流速方差變化率，如表3所示。由表3可得，F(xiàn)r=0.28和Fr=0.21兩組工況下其減小范圍分別在39%～94%和44%～97%，且Fr=0.28工況下其減小程度小于Fr=0.21工況，表明相同阻水比工況弗勞德數(shù)越大，阻水比對(duì)墩前流速分布的影響程度越小。

2.2.2 墩后斷面

橋墩附近水流結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，橋墩迎水面和兩側(cè)繞流在床面附近形成馬蹄渦對(duì)墩后縱向流速沿垂線分布形式產(chǎn)生影響。各工況墩后縱向流速沿垂線分布如圖7所示。

圖6 墩前斷面3水位壅高Fig.6 Backwater level of section 3 in front of piers

圖7 墩后斷面4縱向流速沿垂線分布Fig.7 Distribution of longitudinal velocity along vertical line of section 4 behind piers

由圖7可以看出，布設(shè)橋墩后，墩后縱向流速沿垂線分布明顯發(fā)生變化。由于水流流經(jīng)橋墩時(shí)過(guò)水?dāng)嗝鎵嚎s，且阻水比越大，壓縮作用越強(qiáng)，墩后縱向流速分布形式愈發(fā)紊亂。表4中墩后縱向流速方差在研究區(qū)域均呈現(xiàn)出與墩前斷面相反的趨勢(shì)，墩后縱向流速沿垂線分布的波動(dòng)情況隨阻水比增大而增大。

表3 墩前斷面3縱向流速方差變化率

表5中，F(xiàn)r=0.28和Fr=0.21兩組工況下墩后斷面4縱向流速方差變化率的增大范圍分別在20%～456%和55%～1 061%，F(xiàn)r=0.28工況下其增大程度也總是小于Fr=0.21工況，該趨勢(shì)與墩前斷面相同，阻水比對(duì)墩后縱向流速的影響隨弗勞德數(shù)增大而減小。

2.3 橫向流速垂線分布

橫向流速v是彎道水流的另一個(gè)重要特征。本文將同一來(lái)流條件下不同阻水比墩前斷面和墩后斷面的橫向流速沿垂線分布進(jìn)行對(duì)比，分析阻水比對(duì)橫向流速的影響。

2.3.1 墩前斷面

墩前斷面3橫向流速垂線分布如圖8所示。由圖8可以看出，無(wú)橋墩時(shí)受彎道離心力的影響，兩組工況下斷面3橫向流速v的分布均為上部流向凹岸，近底處流向凸岸，形成環(huán)流。布設(shè)橋墩后，墩前橫向流速沿垂線分布隨阻水比增大愈發(fā)不均勻。

表4 墩后斷面4縱向流速方差比較

表5 墩后斷面4縱向流速方差變化率

表6中，墩后橫向流速方差在研究區(qū)域內(nèi)均隨阻水比的增大而增大，表明墩前橫向流速沿垂線分布與阻水比呈正相關(guān)。原因在于在壓縮水流作用下橋墩兩側(cè)形成左右交替分布的大流速水團(tuán)，影響了墩前橫向流速的垂線分布形式，阻水比越大，其影響程度越大，流速分布越紊亂。

由表7可得，F(xiàn)r=0.28和Fr=0.21兩組工況下墩前斷面3橫向流速方差變化率的增大范圍分別在7%～106%和28%～623%，F(xiàn)r=0.28工況下其增大程度均小于Fr=0.21工況，表明弗勞德數(shù)越大，阻水比對(duì)墩前橫向流速的影響越小。

2.3.2 墩后斷面

墩后斷面4橫向流速垂線分布如圖9所示。由圖9可以看出，布設(shè)橋墩后，墩后橫向流速沿垂線分布與阻水比呈正相關(guān)，墩后橫向流速方差與阻水比的關(guān)系同墩前一致(表8)。由于墩側(cè)邊界層的分離在墩后產(chǎn)生尾流漩渦，影響了墩后橫向流速的垂線分布形式，且阻水比越大，影響越深，因而其分布形式越紊亂。而弗勞德數(shù)與阻水比對(duì)墩后橫向流速影響的關(guān)系同墩前也一致(表9)。

由圖9可以看出，布設(shè)橋墩后，墩后橫向流速沿垂線分布與阻水比呈正相關(guān)，墩后橫向流速方差與阻水比的關(guān)系同墩前一致(表8)。由于墩側(cè)邊界層的分離在墩后產(chǎn)生尾流漩渦，影響了墩后橫向流速的垂線分布形式，且阻水比越大，影響越深，因而其分布形式越紊亂。而弗勞德數(shù)與阻水比對(duì)墩后橫向流速影響的關(guān)系同墩前也一致(表9)。

圖8 墩前斷面3橫向流速沿垂線分布Fig.8 Distribution of transverse velocity along vertical line of section 3 in front of piers

表6 墩前斷面3橫向流速方差比較

表7 墩前斷面3橫向流速方差變化率

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)不同橋墩阻水比下彎道流速分布規(guī)律進(jìn)行研究，得出以下主要結(jié)論。

(1)布設(shè)橋墩后，彎道水槽試驗(yàn)段內(nèi)主流位置整體向中間偏移，隨阻水比的增大，主流位置更加趨于集中在河道中間部位。

(2)不同弗勞德數(shù)工況下，隨阻水比的增大，墩前水位壅高逐漸增大，墩前縱向流速方差均減小，垂線流速分布更加均勻；墩后縱向流速方差均增大，沿垂線分布更加紊亂。橫向流速方差在墩前和墩后斷面均增大，其在墩前與墩后沿垂線分布均更加紊亂。

(3)不同弗勞德數(shù)工況下，受大弗勞德數(shù)工況更不穩(wěn)定的水流結(jié)構(gòu)影響，無(wú)論在墩前與墩后斷面，橋墩阻水比對(duì)縱向流速和橫向流速分布的影響均隨Fr增大而減小。

圖9 墩后斷面4橫向流速沿垂線分布Fig.9 Distribution of transverse velocity along vertical line of section 4 behind piers

表8 墩后斷面4橫向流速方差比較

表9 墩后斷面4橫向流速方差變化率