考慮護圈主動防護的橋墩局部沖刷數值模擬研究

摘要 為研究水流作用下圓柱橋墩的局部沖刷特性，以RANS方程作為控制方程，運用計算流體動力學軟件Flow-3D建立了考慮邊界層效應的三維數值沖刷精細化分析數值模型，并根據前人試驗驗證了數值模型的準確性。通過精細化數值模擬，對考慮護圈主動防護的圓柱橋墩局部沖刷進行了分析。結果表明，主動防護護圈防護效果較好，可為實際工程中同類圓柱橋墩的沖刷防護提供借鑒與參考。

關鍵詞 橋墩；局部沖刷；護圈；主動防護

中圖分類號 U443.86 文獻標志碼 A

工程結構工程結構

0引言

近年來，大量的跨江、跨海橋梁在世界范圍內建設。與陸地橋梁不同，水流會從橋梁墩臺和基礎等周圍淘掘并帶走泥沙，形成局部沖刷侵襲，進而改變結構的固有頻率，降低地基的側向承載力，甚至造成橋梁結構破壞［1-2］。20世紀90年代至21世紀初，我國橋梁水毀造成的直接和間接經濟損失高達100億元［3］。可見橋梁基礎結構沖刷是造成橋梁結構功能失效、喪失其安全性能的最主要原因之一［4］，已成為涉水橋梁安全的重大威脅［5］。橋梁沖刷危害不僅會產生經濟上的損失，也會造成人員上的傷亡，橋墩沖刷機理和沖刷防護措施越發引起研究學者的關注。

沖刷是一種隨諸多因素變化的動態現象，其機理十分復雜，并且隨著影響因素的改變表現出不同的沖刷特性［6］。目前研究水流作用下結構沖刷特性的研究方法主要分2類：一是現場和水槽試驗［7］；二是計算流體動力學（CFD）模擬［8］。隨著近年來計算機運算能力的提升，數值模擬耗時少、費用低廉并可以細致地觀察流場及沖刷形態，越來越為廣大學者接受。

近年來，橋墩的局部沖刷防護受到大量學者的關注，通過減小沖刷水流的原動力，許多學者相繼提出不同的沖刷主動防護對策，如墩前犧牲樁、護圈和橋墩開縫等［7，9］。護圈由于其施工難度低和造價低的優點，成為橋墩防局部沖刷的首選。然而，目前針對護圈沖刷防護機理以及減沖效應的研究較少，護圈在實際工程中的沖刷防護效果還有待進一步驗證。

因此，本文基于不可壓縮粘性流體理論建立沖刷數學模型，以RANS方程作為控制方程，在確保軟件的準確性和可行性基礎上，開展有無護圈2種工況下的圓柱橋墩局部沖刷數值模擬，分析了護圈對水流作用下圓柱橋墩局部沖刷的主動防護效應，并通過墩周流場分析揭示了護圈的沖刷防護機理。

1數值計算理論基礎

1.1基本控制方程

1.2湍流模型

1.3泥沙運動模型

2數值模型

2.1數值模擬流程

本文數值模擬主要內容包括：①建立數值水槽模型，確定合理的計算網格劃分方案；②基于試驗數據，驗證數值模型的準確性和可靠性；③開展圓柱橋墩局部沖刷數值模擬，對考慮護圈主動防護的橋墩局部沖刷防護效果進行分析。

2.2邊界條件和網格劃分

在Flow-3D軟件中，直接建立無地形的橋墩局部沖刷數值模型。X方向（水流方向）的計算長度取40m，Y方向（水流橫截面）的計算長度取18m；Z方向取5m高度作為正常水位下的沖刷模型，其中有2m作為河床泥沙的高度。橋墩外徑2m，位于數值模型的正中間。正常水位下水槽的沖刷數值模型如圖1所示。

無地形沖刷數值模型的湍流模型為RNGk-ε模型，邊界條件除河道側面采用對稱邊界（Symmetry）外，其余的邊界均一致。網格在X-Y上采用均一網格，可提高計算精度，在Z方向進行加密，也采用均一尺寸的網格大小，真實模擬非山區地形下的典型橋墩沖刷問題。

本文預設了3種不同的Z方向網格大小，分別為0.125m、0.15m和0.2m，以探討不同的Z網格大小對最大沖刷深度和范圍的影響狀況。表1分別給出了3種網格大小下的最大沖刷深度計算結果，從表中可以看出，在不同網格作用下，最大沖刷深度不一致，但相差較小。考慮到模擬的計算效率和精度，本文在Z方向采用0.125m的網格大小。

如圖2所示，針對非山區地形下的橋墩沖刷，X方向和Y方向的網格大小相同，均為0.2m。為了精確捕捉到泥沙的沖刷深度和堆積高度，Z方向的網格相對于X、Y方向來說，進行了加密，網格大小為0.125m。

3有無護圈時橋墩局部沖刷數值模擬

在實際工程中，可以通過在河床高程附近增設底板或者護圈等，減小沖刷水流的原動力來提高橋墩抗沖刷性能，這種“減沖”的防護方式即主動防護。比較典型的方法有墩前犧牲樁、護圈、環翼式橋墩、護殼、橋墩開縫和下游石板等防護措施。墩前犧牲樁方法容易受到水流方向變化的影響，當水流變化達到一定程度時，可能徹底失去防護作用；下游石板防護方案也易受河流和基礎結構的影響，在較大的河流狀態下易導致防護措施結構失效，起不到防護措施的作用；此外，由于水流的急速性和方向不確定性，會導致環翼式橋墩的防護效果大打折扣，也會受到上游卵石的撞擊，導致結構破壞。綜上所述，本文主要針對防沖刷護圈方案進行沖刷防護效果分析。

針對某高速公路圓形橋墩（外徑取2m），本文采用防沖刷護圈方案，對橋墩局部沖刷進行數值模擬。在流速0.842m/s、水深5.565m的單墩沖刷數值模擬基礎上，驗證護圈在數值模型中的可行性。在Flow-3D軟件中，取2.5倍橋墩外徑護圈，護圈高度恰好位于泥沙上進行數值模擬，計算域和網格劃分與圖3中水槽沖刷模型一致，選取的泥沙粒徑為0.328mm，防沖刷護圈數值模型如圖3所示。

考慮到計算工作量，本文針對護圈沖刷模擬只模擬40min。有無防沖刷護圈數值模擬2400s沖刷形態如圖4所示，有無防沖刷護圈數值模擬最大沖刷深度變化情況如圖5所示。對比無護圈組的沖刷，有護圈沖刷在2400s時刻的最大沖刷深度為0.229m，僅為無護圈最大沖刷深度的33%，有效的減少了沖刷的發生，最大沖刷深度發生在橋墩中后方護圈邊緣位置處。結果表明防沖刷護圈的防護效果較好，該數值模擬結果可為圓柱橋墩的沖刷防護提供參考。

圖6給出了橋墩有無防沖刷護圈的流場形態，由圖6可知，來流對于橋墩周圍的河床造成沖刷的最主要原因之一是下潛水流，下潛水流在沖刷坑中會形成馬蹄渦，從而導致沖刷深度的加劇。防沖刷護圈屬于防護措施的主動防護，其目的是在影響墩前的前進水流，干擾來流作用，本文所分析的防沖刷護圈為其完整繞墩一周的裝置，恰好位于河床上，其主要削弱了下潛水流的強度，從而削弱漩渦掏蝕與降低搬運河床顆泥沙粒的能力，進而減少沖刷，達到沖刷防護的目的。

4結論

本文采用CFD數值模型手段，詳細闡述了流-固-土耦合模型的基本控制方程、湍流模型和泥沙沖刷模型等數值模擬方法，建立了合理的數值模型和網格劃分方案，對橋墩局部沖刷特性開展了系統性的數值模擬研究，分析了護圈對水流作用下圓柱橋墩局部沖刷的主動防護效應，揭示了護圈的沖刷防護機理，最終得到主要結論：

（1）提出了一個考慮邊界層效應的沖刷模擬數值框架，依據嚴格的數值模擬流程，得到與試驗結果一致的斷面流速分布情況，對比單墩試驗結果，發現數值模擬結果中的墩周流場和最大沖刷深度與試驗結果吻合良好。

（2）數值模擬結果表明，最大沖刷深度發生在橋墩中后方護圈邊緣位置處，有護圈沖刷在40min時的最大沖刷深度僅為無護圈沖刷的33%。

（3）通過流場分析可知，下潛水流是造成橋墩周圍河床沖刷的主要原因之一，在沖刷坑中會形成馬蹄渦，從而導致沖刷深度的加深。而護圈可以削弱下潛水流的強度以及漩渦的掏蝕能力，這是其沖刷防護的主要機理。

本文所分析的主動防護護圈對橋墩局部沖刷有較好的防護效果，有效減小了橋墩沖刷深度和沖刷坑范圍，可為實際工程中同類橋墩的沖刷防護提供參考。

參考文獻

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