(西藏大學(xué)農(nóng)牧學(xué)院水利土木工程學(xué)院 西藏 林芝 860000)

橋墩中軸線位置對(duì)河道流場(chǎng)的影響

李松旌 趙素華

(西藏大學(xué)農(nóng)牧學(xué)院水利土木工程學(xué)院 西藏 林芝 860000)

以西藏林芝市八一大橋?yàn)槔?，利用Fluent軟件對(duì)橋墩附近的流場(chǎng)進(jìn)行模擬，研究橋墩中軸線位置對(duì)河道流場(chǎng)的影響，包括河道流場(chǎng)在橋墩作用下流速、動(dòng)壓力及剪切應(yīng)力的分布情況，在一定程度上為橋墩及河床的沖刷防護(hù)工作提供理論依據(jù)和數(shù)值參考。

林芝八一大橋;橋墩中軸線;河道流場(chǎng);沖刷防護(hù)

1 引言

林芝八一大橋?yàn)镾306線的起點(diǎn)段，是連接八一鎮(zhèn)兩岸的咽喉要道。大橋所在河段的河床寬淺不整，主要由鵝卵石夾雜少量粗粒土堆積而成，具有游蕩特征，灘槽模糊不清，主流搖擺不定。大橋建成后，墩周流場(chǎng)呈現(xiàn)復(fù)雜化，使大橋下面主流趨向于右岸，下游心灘上提，對(duì)下游河勢(shì)造成了嚴(yán)重影響[1]。合理地采取相應(yīng)措施，能夠減弱河道對(duì)大橋的沖刷破壞，同時(shí)在一定程度上削弱大橋?qū)ζ涓浇哟驳牟焕绊憽?/p>

2 林芝八一大橋

大橋長(zhǎng)度483.9m，連接線長(zhǎng)度365.925m，為，橋面寬度21m，路基寬度20m，橋面行車道寬16.5m，雙向四車道，兩側(cè)人行橫道各寬2.25米。上部結(jié)構(gòu)為4-4 ×30m裝配式預(yù)應(yīng)力小箱梁，下部采用樁柱式墩臺(tái)，摩擦樁基礎(chǔ)，設(shè)15墩2臺(tái)。

3 計(jì)算模型

計(jì)算模型采用明渠流動(dòng)計(jì)算，其中橋墩直徑為1.51m，每排間距7.06m，河面寬取483.9m，河道計(jì)算長(zhǎng)度為40m，河水流速取0.7m/s，水深取0.4m，不考慮風(fēng)速的影響，工況參數(shù)詳見(jiàn)表1，F(xiàn)luent分析結(jié)果詳見(jiàn)圖1-3。

表1 工況參數(shù)

圖1 流速局部放大圖

圖2 橋墩上的應(yīng)力分布

圖3 河流底面的應(yīng)力分布

4 計(jì)算結(jié)果分析

4.1橋墩附近的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)[2-3]

橋墩周圍產(chǎn)生墩前涌波、橋墩迎水面下降水流和漩渦的主要原因是由于橋墩對(duì)水流的壓縮和阻礙作用。橋墩迎水面下降水流、橋墩兩側(cè)集中水流所形成的馬蹄形旋渦、橋墩兩側(cè)邊界層分離所形成的尾流漩渦，均是旋渦復(fù)雜水流結(jié)構(gòu)的體現(xiàn)。馬蹄形漩渦是產(chǎn)生橋墩周圍局部沖刷最直接的原因，其中心的負(fù)壓區(qū)導(dǎo)致河床表面原本靜止的泥沙表現(xiàn)出陣發(fā)性的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，攜河床表面泥沙至橋墩下游漩渦，通過(guò)其重復(fù)作用形成長(zhǎng)長(zhǎng)的沙脊。

4.2流速分布

從圖1可以看出：橋墩的設(shè)置致使迎水面水流發(fā)生壅塞效應(yīng),并隨著橋墩中軸線位置沿流向方向變化，橋墩迎水面的流速依次變??；橋墩兩側(cè)流速的等值面呈向外擴(kuò)散趨勢(shì)，橋墩兩側(cè)約73°圓心角處流速為該橋墩流速最大值，之后出現(xiàn)邊界層分離現(xiàn)象，位置最靠上游側(cè)橋墩73°圓心角處流速最大，中間位置橋墩73°圓心角處流速最小；以橋墩下游側(cè)流速接近0的等值面為標(biāo)準(zhǔn)分析，最靠近上游側(cè)橋墩的面積最大，最靠近下游側(cè)橋墩的面積最小；雙排卡門渦街現(xiàn)象延伸到橋墩后方的距離，隨橋墩沿流向方向依次變短。

4.3動(dòng)壓力分布

橋墩附近流場(chǎng)動(dòng)壓力的分布與流速的分布極為相似，其主要原因是流速的平方與流場(chǎng)動(dòng)壓力成正比[4]，如圖2所示。沿流向方向，各個(gè)橋墩迎水面動(dòng)壓力依次變小；橋墩兩側(cè)的等值面呈擴(kuò)散趨勢(shì)，約73°圓心角處為該橋墩動(dòng)壓力最大值，位置最靠上游側(cè)橋墩73°圓心角處動(dòng)壓力最大，中間位置橋墩73°圓心角處最??；橋墩正后方水流的尾流渦旋形成了低壓甚至負(fù)壓區(qū)，以此為標(biāo)準(zhǔn)分析，最靠近上游側(cè)的面積最大，最靠近下游側(cè)的面積最小，此區(qū)域的形成是馬蹄形漩渦及橋墩兩側(cè)邊界層分離共同作用的結(jié)果。

4.4河床剪切應(yīng)力分布

由于剪切應(yīng)力的大小、方向、作用點(diǎn)與橋墩受沖刷破壞程度密切相關(guān)，同時(shí)為明確橋梁水毀機(jī)理和橋墩不同位置所受沖刷破壞情況，應(yīng)對(duì)橋墩在河床表面所受剪應(yīng)力進(jìn)行深入研究[4]。由圖3分析，以流向方向?yàn)榛鶞?zhǔn)，三個(gè)橋墩迎水面剪應(yīng)力依次變?。粯蚨諆蓚?cè)圓心角70-80°的冠狀地帶為該橋墩所受剪切應(yīng)力的最大值，位置最靠上游側(cè)橋墩冠狀地帶剪應(yīng)力最大，中間位置橋墩冠狀地帶剪應(yīng)力最?。灰詷蚨蘸蠓郊魬?yīng)力接近0的等值面為標(biāo)準(zhǔn)分析，最靠近上游側(cè)橋墩的面積最大，最靠近下游側(cè)橋墩的面積最小。

5 沖刷防護(hù)

據(jù)以上分析，需對(duì)橋墩迎水面兩側(cè)圓心角約70-80°的冠狀地帶及河床采取防護(hù)措施，其中最靠上游側(cè)的橋墩及附近河床為重點(diǎn)防護(hù)對(duì)象。建議采用一下沖刷防護(hù)措施：

1.拋石防沖：設(shè)置反濾層，減弱泥沙顆粒在拋石孔隙內(nèi)的淘刷作用。

2.護(hù)腳和沉箱防沖：削弱橋墩迎水面下降水流和馬蹄形渦流在水中攜沙的能力，防止其直接沖擊泥沙。

6 結(jié)語(yǔ)

林芝八一大橋地處高海拔、低氣壓的大環(huán)境之下，給橋墩和河床的沖刷防護(hù)提供了一個(gè)新的研究平臺(tái)。本文基于現(xiàn)有的理論知識(shí)和現(xiàn)有條件展開(kāi)研究，具有一定的局限性，局部沖刷坑會(huì)對(duì)墩周流場(chǎng)結(jié)構(gòu)特性、主要防護(hù)部位及其防護(hù)措施的選擇帶來(lái)一定程度的影響，本文尚未對(duì)此考慮。在相關(guān)能力提升后，可將沖刷坑形成并擴(kuò)大時(shí)墩周流場(chǎng)結(jié)構(gòu)特性作為研究?jī)?nèi)容。

[1]宗永臣.分形下的河道演變初探——以尼洋河為例[A].水資源與水工程學(xué)報(bào)，2011，22（5）：92-95.

[2]高東光.公路與橋梁水毀防治技術(shù)[M].北京:人民交通出版社,2002.

[3]蔣煥章.公路水文勘測(cè)設(shè)計(jì)與水毀防治[M].北京:人民交通出版社,2002.

[4]王慶珍.圓柱形橋墩附近三維流場(chǎng)分析研究[A].公路交通技術(shù),2008,(2):41-50.

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1007-6344（2017）06-0024-01