基于Flow3D的跨河橋墩局域流場影響特性研究

朱偉崇

(廣東偉勝環(huán)境工程有限公司，廣東 佛山 528308)

1 概 述

河道一方面提供了通航、水資源調(diào)度等多方面有利條件，但河道的存在對交通樞紐也是一種限制[1-2]，因而跨河交替橋梁應運而生。其中，起著關(guān)鍵作用的即為橋墩結(jié)構(gòu)，特別是涉水橋墩，有效保障了江面橋梁的安全運營。當橋墩涉水，其對河道三維流場影響不可忽視[3-4]，同時給河道整治、清淤治理等帶來影響，因此針對性研究涉水橋墩周身流場特征，有助于推動水利河道運營設計。

王浩等[5]、陳銘等[6]通過對實際工程分析，基于室內(nèi)河道模型的橋墩模擬，開展涉水橋墩周身流場分析，探討室內(nèi)物理模型試驗下橋墩周身流速、沖刷、水沙演變等特征，為水利、交通河道運營提供依據(jù)。紀立軍[7]、陳燦明等[8]通過在橋墩底部或河床等位置安裝傳感器監(jiān)測，探討墩身結(jié)構(gòu)受水動力沖擊影響下滲流場、靜力與動力結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，可為工程運營及時預警。當然，也可通過三維流場計算方法，計算分析流場影響特性。丁安娜[9]、陳成林[10]、張曙光等[11]采用Fluent、Flow3D等模擬計算軟件，研究了涉水橋墩與跨河橋墩在靜、動水作用下，其周身滲流場影響變化特性。

本文基于佛山東平河大橋涉水橋墩工程分析，采用Flow3D開展其墩身流場受挾沙水流容重、上游來水流速影響變化的分析和計算，為工程運營及加固設計等提供參考。

2 工程模擬分析

2.1 工程概況

作為佛山地區(qū)重要防洪工程，佛山東平河聯(lián)圩工程是地區(qū)內(nèi)重要控水、排澇的綜合性水利樞紐，其建設長度從佛山市北江轄段直至東平河出流段，控制流域面積超過500 km2，干堤總長超過30 km，是佛山、中山地區(qū)中順大圍的重要組成部分。

中順大圍樞紐工程始建于20世紀50年代，干堤總長度超過120 km，包括小欖圍、均安圍等小型聯(lián)圩工程，從佛山均安鎮(zhèn)金沙灘至中山市東河水閘沿線，其堤防主體為佛山東平河聯(lián)圩工程。干堤頂最高處為8.5 m，設計樁號為K0+0.000～K48+630，堤防高程分布為3.5～8.5 m，最高處位于東河水閘所在堤段，迎、背水側(cè)坡度分別為1/3、1/2.25，堤面寬度經(jīng)過一、二期聯(lián)圩工程加固后，目前可通行兩車道，寬度約為6～7 m，全堤段均按照50年一遇洪水設計。

根據(jù)對東平河聯(lián)圩工程所在堤段分析可知，該地區(qū)堤防工程采用分層堆筑形式，堆筑料以砂土、粉土為主，圖1為該聯(lián)圩工程K6+355處北側(cè)堤防剖面示意圖。該堤段堤防由于位于城區(qū)，因而其堤頂進行了粉質(zhì)砂土加筑，加高后堤頂高程為6.2 m，堆筑料中沉降變形較大屬粉土與細礫石，且細礫石含水量較高，滲透系數(shù)較大。低液限粉土采用石灰改性劑的物化改良方法，部分堤段粉土抗剪強度提升40%～60%，有效確保了堤防岸坡安全穩(wěn)定性。

圖1 K6+355處北側(cè)堤防剖面

東平河聯(lián)圩工程為重要水利工程，同時也承擔著佛山地區(qū)重要交通樞紐功能。所建設的東平河大橋橫貫在聯(lián)圩工程兩側(cè)堤防，跨度超過40 m，設計有四車道，橋面高出河道常態(tài)水位12 m。采用橋墩支撐結(jié)構(gòu)形式，整個跨度內(nèi)共有8根橋墩，每根橋墩直徑均為1.8 m，采用預應力錨索結(jié)構(gòu)與上部橋身加固連接。檢測結(jié)果表明，橋墩運營期內(nèi)，靜、動力場穩(wěn)定性均較好。

目前，由于考慮下游中順大圍聯(lián)圩樞紐工程防洪能力，東平河整個河道內(nèi)不僅堤防需要進行加固，且需對部分河道進行清淤治理，減少下游防洪工程泥沙淤積、裹沙水流的沖刷影響。但由于東平河大橋所在河段K6+552～K6+620為重點清淤治理，特別是部分橋墩周身泥沙淤積、渦旋等影響，導致挾沙水流在區(qū)段內(nèi)出現(xiàn)過量的動水剪應力，見圖2。而且墩身兩側(cè)也會產(chǎn)生大、小尺度的渦流場(圖3)，局部流場中能量的轉(zhuǎn)換導致的消耗功作用在墩身，使墩體結(jié)構(gòu)實質(zhì)上受到“蠕變”的損耗作用。為此，聯(lián)圩工程管理部門針對河道治理過程中的裹沙水流對橋墩流場影響開展分析，為河道治理及導流圍堰設計提供依據(jù)。

圖2 挾沙水流影響橋墩剪應力

圖3 墩身渦漩流分布示意

2.2 建模設計

基于工程現(xiàn)狀分析，以東平河大橋K6+580樁號處橋墩為研究對象，該墩體高度為12.5 m，全墩身均為鋼混材料，預應力錨索距離墩頂為0.5 m，采用ANSYS建立該墩體幾何模型，見圖4。該模型中包括泥沙淤積河床、兩側(cè)堤防岸坡及橋墩，從原型復制比尺試驗理論入手，本文模型均按照1/100比尺進行設定[12]，橫向河段長度為6 m，寬為0.8 m，水深為1 m，墩體高度為0.8 m，直徑為0.1 m，所施加的挾沙水流中泥沙粒徑為0.2 mm，均勻分布在河道橫向上。

圖4 墩周幾何模型

ANSYS所建立的幾何模型導入至Flow3D流場數(shù)值化平臺中[11,13]，采用嵌套網(wǎng)格劃分方法對該墩體所在流場進行計算單元劃分，圖5(a)為劃分后計算模型，模型X-Z正向分別為水流墩體橫向、墩體自重應力方向及河道水流下游方向。建模后，共有網(wǎng)格單元125 632個、108 264個節(jié)點，X、Y向網(wǎng)格單元占比分別超過48%、50%。同時，計算模型按照墩體周圍流場實際工況分別設定進、出口水流邊界，分別設定在墩體Z向上游的3 m處、下游3 m處，模型頂、底部分別具有自由流運動與全向約束運動邊界，邊界條件設定見圖5(b)。

圖5 數(shù)值計算模型

從墩體流場影響因素分析可知，上游挾沙水流的物理狀態(tài)及來水流速是關(guān)鍵。為此，本文在固定泥沙顆粒物理參數(shù)的前提下，探討挾沙水流容重參數(shù)、入場流速對流場及墩體周身水沙演變影響。本文水體為液固二相模型，其中泥沙顆粒粒徑分布在0.1～0.5 mm，其級配狀態(tài)見圖6，裹沙特征值為0.02，泥沙遷移系數(shù)設定為6，沖刷因子設定為0.05。計算方案以挾沙水流的容重參數(shù)為研究對象，設定挾沙容重分別為90、180、270、360 g/m3，并設定有清水對照方案；流速方案分別設定為0.3、0.45、0.6 m/s；計算工況設定流量為10 m3/s。基于橋墩周身挾沙水流運營建模分析，探討墩體局域流場影響變化特征。

圖6 泥沙顆粒級配

3 挾沙水流對局域流場影響

3.1 流速特征

為分析墩體周身流場特征，本文以墩體全身各特征點處流場特征參數(shù)開展分析，所分析的特征點分布見圖7。

圖7 墩周特征點分布

根據(jù)不同容重挾沙水流方案下計算分析，獲得墩體周身流場內(nèi)各特征點處流速變化特征，見圖8。

圖8 挾沙容重影響墩周特征點流速

從圖8中可知，挾沙容重值愈大，則墩體周身流速水平愈低。以特征點L4為例，當挾沙水流為清水時，該點流速為1.02 m/s。而在容重值增長至90、270 g/m3后，該點相應的流速較之分別減少11.9%、47.8%。在特征點L4處，其流速水平隨挾沙水流容重階次90 g/m3變化，可引起流速平均損耗20.5%；而在特征點L1、L8處，流速平均損耗分別為20.6%、18%。從整體9個特征點的流速平均損耗來看，分布在16.7%～22.4%，最大損耗位于特征點L9處，而損耗較低為L1、L4、L6這3個特征點。分析表明，墩體周身流場內(nèi)流速受挾沙容重參數(shù)影響各有差異，以迎水側(cè)及墩體中心處流速受影響更敏感，即該區(qū)域內(nèi)受挾沙水流沖刷影響最大。比較各方案下峰值流速可知，在挾沙水流90、180 g/m3方案中，峰值流速分別位于L4、L6特征點，量值分別為0.9、0.78 m/s。而挾沙水流容重較大時，如270、360 g/m3方案下，則峰值流速分別位于L3、L5、L8方案內(nèi)，其流速值分布為0.48～0.58 m/s，流速水平最低均為特征點L9處。9個特征點中僅L9位于墩身，分析可知，在挾沙水流90 g/m3方案中，除L9特征點以外的8個特征點平均流速為0.83 m/s，而L9特征點與前者平均流速差幅為14.1%。當挾沙水流容重增大至270、360 g/m3后，相應的流速差幅分別為10.6%、8.2%，而在清水工況中有15.8%差幅。由此說明，挾沙水流容重值愈大，則墩體中流速與周身流速差幅愈小。

3.2 壓強特征

根據(jù)流場模擬計算，獲得挾沙水流容重對墩身各特征點處壓強影響關(guān)系，見圖9。

圖9 挾沙容重影響墩周特征點壓強

從圖9中可知，當挾沙水流容重參數(shù)增大，則墩身靜水壓強愈大。在清水工況中，特征點L1處靜壓強為3.58 kPa，而挾沙水流容重每增大90 g/m3，則靜壓強平均增大51.1%；同理，在其他特征點L2～L9處，相應靜壓強的平均增幅分布為41%～47%。在同一挾沙水流方案中，靜壓強在各特征點中差幅較小，即墩身不同位置的靜壓強具有一致性，但當挾沙水流容重增大，則靜壓強的均衡性會打破。如在清水工況中，峰、谷靜壓強分別位于特征點L4、L9，兩者壓強值差幅為36.3%；而在挾沙水流90 g/m3中，峰、谷壓強所在特征點與前者方案一致，而壓強值差幅上升至40.5%；在挾沙水流360 g/m3中，雖墩身峰、谷壓強所處位置未發(fā)生變化，但壓強量值的差幅增大至45.8%。因而，可認為挾沙水流容重參數(shù)對墩身流場內(nèi)峰、谷壓強所在位置影響較小，僅影響其量值變化，且挾沙水流容重愈大，則峰、谷壓強差距更大，墩身流場內(nèi)靜水壓強的不均勻性加大了。

4 來水流速對局域流場影響

4.1 流速特征

當處于同一挾沙水流容重方案中，但上游來水流速發(fā)生變化時，則墩體周身流場也有影響。本文通過計算，獲得不同來水流速下墩身流場影響特征，圖10為不同流速方案中墩身特征點流速變化特征。

圖10 來水流速影響墩周特征點流速

觀察圖10中流速變化可知，上游來水流速愈大，則墩身流場內(nèi)流速愈高。在特征點L2處，來水流速0.3 m/s方案中，該點流速為0.37 m/s；而來水流速0.45、0.6 m/s中，同一點流速較前者分別增大46.5%、83.3%；在特征點L1～L9其他方案中，隨上游來水流速0.15 m/s增長，特征點流速平均增長29.3%～45.9%。從流速變化特征分析可知，3個來水流速方案中，峰、谷流速均位于特征點L6、L9，即來水流速的變化不影響峰、谷流速所在特征點。另一方面，在來水流速0.3 m/s方案中，其峰、谷流速差幅為37.1%；而來水流速為0.45、0.6 m/s方案中，峰、谷流速差幅分別為36.9%、37.3%，表明上游來水流速增大，特征點峰、谷流速差幅保持接近。雖然來水流速增大，可提升墩身流場內(nèi)動水勢能，但由于墩身局域渦漩場影響，導致水力勢能的轉(zhuǎn)換過程中仍會消耗相應大量的耗散功，且耗散功是墩身流場中起決定性的能量[14-15]，故上游來水流速的變化，不引起峰、谷所在特征點的變化，也不改變峰、谷流速間差幅，主要影響集中在特征點上流速的量值水平。

4.2 壓強特征

根據(jù)上游來水流速方案中墩身流場計算，可獲得各特征點處靜水壓強受影響變化特性，見圖11。

圖11 來水流速影響墩周特征點壓強

分析墩身特征點靜壓強可知，來水流速與之具有正相關(guān)關(guān)系。在來水流速0.3 m/s方案中，墩身各特征點平均壓強為7.77 kPa；而來水流速0.45、0.6 m/s方案中，特征點平均壓強較之分別增長46.7%、112.3%。當上游來水流速變化，則靜壓強峰、谷值所在特征點均有差異。如在來水流速0.3 m/s方案中，其壓強峰、谷值分別位于特征點L5、L9；而在特征點0.45、0.6 m/s峰值壓強特征點分別在L3、L8，表明上游來水流速變化，會影響墩身峰、谷壓強分布位置。另一方面，在來水流速0.3 m/s方案中，峰、谷壓強值差幅達35.6%。而隨上游來水流速的增大，則墩身流場內(nèi)特征點峰、谷壓強的差幅增大，在來水流速0.45、0.6 m/s方案中，分別為40.2%、46.8%。分析認為，來水流速的增大，對墩身迎水側(cè)沖刷影響，會導致局部的沖刷坑，進而影響流場內(nèi)靜壓強分布，特別是以迎水側(cè)L3、L5、L8特征點為典型高壓強分布，3個方案中峰值壓強也是在此3個特征點中“橫跳”變化[16]。筆者猜測，即使來水流速愈大，但峰值壓強仍位于迎水側(cè)L3-L8的區(qū)段特征點上。綜合分析可知，上游來水流速會影響墩身流場靜壓強峰、谷分布位置，但不會逃脫在迎水側(cè)L3、L5、L8特征點上，且峰、谷壓強值差幅也會隨來水流速增大而變化。

5 結(jié) 論

1) 挾沙容重愈大，則墩身流速水平愈低，墩身9個特征點流速平均損耗分布在16.7%～22.4%；墩體L9特征點流速最低，且受挾沙容重削弱損耗最大；挾沙容重增大，峰值流速所在特征點從背水側(cè)演變至迎水側(cè)，且墩體流速較之墩周流速差幅減小。

2) 挾沙水流容重增大，墩身壓強愈大，隨容重階次增長90 g/m3，特征點中靜壓強平均增幅分布為41%～51.1%；容重增大，墩身流場峰、谷壓強特征點不會發(fā)生改變，但量值差距更大，墩身流場壓強不均勻性增大。

3) 上游來水流速與墩身流速為正相關(guān)關(guān)系，隨來水流速0.15 m/s增長，特征點流速平均增長29.3%～45.9%；上游來水流速不影響峰、谷流速分布位置，且峰、谷流速差幅保持接近。

4) 來水流速與靜壓強為正相關(guān)特性，且來水流速增大，峰、谷靜壓強分布位置有所差異，且差幅愈大，但峰值壓強只會在L3、L5、L8特征點上變化，而谷值壓強在L1、L4、L6點變化。