(1.中鐵大橋勘測(cè)設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430050; 2.南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210029; 3.水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210098)

涉水橋梁橋墩的阻水作用，必然導(dǎo)致水流(海流)與泥沙相互作用發(fā)生變化。橋墩局部沖刷的發(fā)生，也促使河(海)床作出相應(yīng)調(diào)整，不僅影響到橋梁所在河段的演變趨勢(shì)，而且還可能威脅到橋梁建筑物本身的安全與穩(wěn)定。對(duì)橋墩局部沖刷深度的可靠預(yù)測(cè)以及采取適當(dāng)?shù)臎_刷防護(hù)措施是保證橋梁安全運(yùn)行的基礎(chǔ)，因此必須對(duì)橋墩局部沖刷及防護(hù)引起足夠重視[1]。

對(duì)于單向流作用下的橋墩局部沖刷問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外研究者通過(guò)一個(gè)多世紀(jì)的研究，已經(jīng)取得了相對(duì)比較成熟的研究成果[2-4]。但隨著沿海經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，大型跨海橋梁的建設(shè)越來(lái)越多，跨海灣(河口)橋梁基礎(chǔ)所處的海域往往具有水深、浪高、雙向非恒定潮流等水動(dòng)力條件復(fù)雜的特點(diǎn)，使現(xiàn)有單向流沖刷研究成果難以適用于跨海橋梁基礎(chǔ)的沖刷問(wèn)題[5]。目前，對(duì)于跨海橋梁基礎(chǔ)的沖刷研究還處于初級(jí)階段，國(guó)內(nèi)已建的、在建的跨海大橋橋梁基礎(chǔ)的沖刷大都通過(guò)專(zhuān)門(mén)的水槽模型試驗(yàn)專(zhuān)題測(cè)定[6-7]，就物理模型而言，除了投資大、存在比尺效應(yīng)外，還存在周期長(zhǎng)、可移植性差等缺點(diǎn)，難以完全適應(yīng)多因素、大范圍、多方案的工程規(guī)劃問(wèn)題。因此，應(yīng)用數(shù)學(xué)模型研究這類(lèi)問(wèn)題，無(wú)疑是今后的發(fā)展方向。本文通過(guò)FLOW-3D建立波流共同作用下的三維橋墩沖刷及防護(hù)數(shù)學(xué)模型，針對(duì)典型橋墩在波流作用下的沖刷及防護(hù)特性進(jìn)行了研究分析，其研究方法可為類(lèi)似研究提供參考，其研究結(jié)果亦具有重要的理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

1 數(shù)值模型建立及驗(yàn)證

1.1 模型建立

該數(shù)學(xué)模型設(shè)置了長(zhǎng)16.675 m、寬13.34 m、高0.3 m的長(zhǎng)方體區(qū)域?yàn)橛?jì)算的區(qū)域。模型橋墩為圓柱橋墩，高5.0 m，直徑66.7 cm或36.0 cm，橋墩位于距離模型最前端 10.005 m(即為圓柱直徑的10倍)處。在X方向，對(duì)橋墩前后1 m范圍內(nèi)進(jìn)行了局部加密，劃分的網(wǎng)格單元數(shù)為150個(gè)；在Y方向，橋墩左右1m范圍內(nèi)，劃分的網(wǎng)格單元數(shù)為120個(gè)，模型的總體網(wǎng)格設(shè)置為180×170×100個(gè)。模型的平面圖和網(wǎng)格劃分如圖 1所示。

圖1 模型的平面圖和網(wǎng)格劃分示意

1.2 模型驗(yàn)證

本文數(shù)值模擬研究及驗(yàn)證采用文獻(xiàn)[5]的物理模型，該模型采用1∶1的設(shè)計(jì)比尺,具體設(shè)置如下：動(dòng)床面長(zhǎng)6 m，寬5 m，泥沙床面厚度 0.3 m，泥沙選用中值粒徑 0.12 mm、分選系數(shù)為1.15的粉砂，試驗(yàn)中水深0.467 m，選取3種不同來(lái)流流速，分別為4.23，7 cm/s和10.06 cm/s。選擇2種不同墩柱直徑，分別為36 cm和 66.7 cm。各組試驗(yàn)中，水深恒定，在物理模型實(shí)驗(yàn)中，加上波浪的作用，選取11組不同波高和波浪周期進(jìn)行試驗(yàn)，具體組次安排見(jiàn)表1。

表1 數(shù)值模擬和物理模型試驗(yàn)組次

注：D為橋墩直徑，h為模型水深，v為邊界流速，H為入射波高，T為入射波周期。

邊界上面的設(shè)置完全按照1∶1輸入表1的流速、波高、水深和波浪周期值。驗(yàn)證結(jié)果如圖 2所示。結(jié)果表明，所建模型模擬效果較好。

圖2 最大沖刷深度實(shí)測(cè)值與模擬值對(duì)比

2 橋墩水沙動(dòng)力特性分析

2.1 流速分布特性

如圖 3(a)所示，在橋墩的前方泥沙區(qū)域，有明顯的馬蹄形漩渦產(chǎn)生，而且沿墩柱的豎直方向，由上至下的下泄水流明顯，這是因?yàn)闃蚨战Y(jié)構(gòu)物阻礙了水流的前進(jìn)，致使橋墩前端的水面出現(xiàn)明顯的壅高現(xiàn)象，且在橋墩前端部分達(dá)到最高值。如圖 3(b)所示，當(dāng)水流作用接觸橋墩時(shí)會(huì)發(fā)生繞流，系統(tǒng)設(shè)置墩柱邊壁的流速為無(wú)流速，由于橋墩兩側(cè)繞流的存在，流速較大。橋墩迎水面阻水的能力阻礙了水流，產(chǎn)生了壅水現(xiàn)象，也使橋墩前端部分的流速減小為零。壅水現(xiàn)象是向下豎直水流產(chǎn)生的原因。

圖3 墩柱附近流速結(jié)構(gòu)示意

2.2 沖刷特性分析

以第二組數(shù)值模擬為例：在墩柱周?chē)x取6個(gè)特征斷面，分別是X=-R、0、R與Y=-R、0、R，由圖 4(a)～(f)所示，沖刷從400 s到500 s的過(guò)程中，沖刷深度的量逐漸減小，沖刷漸漸趨近動(dòng)態(tài)平衡。從400 s的斷面沖刷量到500 s的斷面沖刷量，沖刷增加量?jī)H為橋墩墩半徑的1.36%，基本達(dá)到了沖淤平衡。在沖淤平衡時(shí)刻，沖刷最大深度為 8.2 cm，與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行比較，相差僅 1.8 cm，說(shuō)明模型計(jì)算具有一定準(zhǔn)確性。

圖4 不同特征斷面沖淤變化

3 防護(hù)結(jié)果分析

3.1 防護(hù)位置對(duì)沖刷的影響

設(shè)置了3種高程,研究防護(hù)高度對(duì)沖刷的影響:①工況1:當(dāng)Z=0.29 m時(shí)，護(hù)圈埋在泥沙中；②工況2:Z=0.31 m時(shí)，護(hù)圈保護(hù)結(jié)構(gòu)物與泥沙面齊平;③工況3:Z=0.32 m時(shí)，護(hù)圈保護(hù)結(jié)構(gòu)物的底面距動(dòng)床床面距離為1 cm。其中Z為護(hù)圈結(jié)構(gòu)物距離床沙頂部的距離，具體示意見(jiàn)圖 5。

圖5 保護(hù)結(jié)構(gòu)物沖刷示意

如圖 6所示，當(dāng)護(hù)圈結(jié)構(gòu)物與動(dòng)床床面齊平的情況下，最大沖刷深度的減小量最大，護(hù)圈保護(hù)結(jié)構(gòu)物抑制沖刷效率最高(其中，R為護(hù)圈橋墩保護(hù)結(jié)構(gòu)物的半徑，r為橋墩半徑)。

圖6 不同擺放位置時(shí)的最大沖刷深度比較

3.2 防護(hù)面積對(duì)沖刷的影響

為研究防護(hù)面積對(duì)橋墩沖刷的影響，設(shè)置3種防護(hù)面積，R=0.29r，R=0.31r及R=0.32r。根據(jù)已有研究成果分析，當(dāng)護(hù)圈擺放在相同的相對(duì)床面高度時(shí)，不同的護(hù)圈半徑對(duì)于最大沖刷深度的影響不同，若護(hù)圈半徑增大，將會(huì)使最大沖刷深度明顯減小，抑制沖刷效率增加。

如圖 7所示，隨著護(hù)圈半徑增大，在相同護(hù)圈相對(duì)高度的情況下，最大沖刷深度明顯較小，這是由于護(hù)圈半徑增大后，更多地阻礙了橋墩周?chē)奈蓜?dòng)水流對(duì)泥沙的淘刷，水流對(duì)橋墩周?chē)哪嗌车那治g作用隨著護(hù)圈的增加而不斷減小，使橋墩周?chē)哪嗌硾_刷量也急速減小。護(hù)圈結(jié)構(gòu)物半徑增加的過(guò)程中，對(duì)于橋墩周?chē)嗌车谋Ｗo(hù)作用是不斷加強(qiáng)的。

圖7 不同護(hù)圈半徑下的最大沖刷深度比較

4 結(jié) 論

(1)FLOW-3D模型能準(zhǔn)確模擬出橋墩四周的三維紊動(dòng)流態(tài)，包括馬蹄形漩渦、尾渦擺動(dòng)以及邊界層分離，而且表現(xiàn)出墩柱迎水面下泄水流對(duì)橋墩迎水面底部的沖刷作用。

(2)FLOW-3D在計(jì)算三維橋墩局部沖刷有下列特點(diǎn)：模型能夠在很短的模擬時(shí)間之內(nèi)，快速達(dá)到?jīng)_刷動(dòng)態(tài)平衡，而且達(dá)到?jīng)_刷動(dòng)態(tài)平衡時(shí)刻的最大沖刷深度值與物理模型試驗(yàn)實(shí)測(cè)值相差約在10%～30%之間。

(3)護(hù)圈保護(hù)結(jié)構(gòu)物對(duì)于橋墩四周的局部沖刷有較好的抑制作用，可有效保護(hù)橋墩四周的泥沙不被三維的紊動(dòng)水流侵蝕。研究表明：當(dāng)護(hù)圈保護(hù)結(jié)構(gòu)物與泥沙床面齊平的時(shí)候，護(hù)圈保護(hù)結(jié)構(gòu)物直徑越大，保護(hù)效果越好；護(hù)圈結(jié)構(gòu)物與泥沙床面齊平的時(shí)候保護(hù)效果最好，這種方案優(yōu)于護(hù)圈浮于泥沙床面以及護(hù)圈與泥沙床面距離較遠(yuǎn)的情況。

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