桥墩紊流宽度研究综述

林 姗，陈明栋，陈 明

(重庆交通大学 河海学院，重庆 400074)

近10年来，随着国民经济和交通运输业的快速发展，我国开始大量建造跨江、跨海桥梁.桥墩建在航道中，干扰了天然的水流运动，会对航道的水动力特性、泥沙运动特性等产生影响，并影响到建桥水域的河床演变和航道稳定.桥墩附近存在不安全的航行区域，极易造成船舶航行事故.因此，开展桥墩紊流宽度研究，对指导桥梁设计、保障桥区通航安全具有重要意义.

1 桥墩周围水流紊动特性

研究桥墩周围紊流特性的方法主要有物理模型试验和数值模拟等.物理模型试验研究促进了人们对桥墩绕流特征的认识，研究成果十分具有代表性，为数学模型验证提供了数据基础.然而由于紊动涡体的复杂性、模型缩尺效应、仪器测量的精度问题，对于漩涡的观察仍然无法全面透彻，还有待于研究手段的进一步提高.数值模拟能够更方便地得到紊流细节，有助于对绕墩紊流进行更深入的机理分析.适用于绕流模拟的数学模型研究历来受到重视，由二维发展到三维，各种不同的紊流模型和网格方法也都在绕流模拟中得到了应用.桥墩局部绕流由于存在不规则的边界和很强的回流，给数值模拟增加了困难.二维模型对水深平均的流场形态和流速分布的模拟能够得到较好的结果，但由于绕流的强三维性和非恒定性，二维模型中无法考虑三维漩涡的影响.非恒定绕流模拟研究是今后的发展方向，但目前在桥墩紊流中使用较少.对局部绕流的模拟中较难准确预报的是二次流以及紊动，因此研究者们纷纷寻求各种改进的κ－ε模型以提高回流模拟精度，目前三维模型仍然处于发展完善过程中.

图1 桥墩附近水流结构Fig.1 Flow structure around pier

根据 H.N.C.Breusers等［1］绘制的桥墩附近水流结构图(图1)，紊流区是一个复杂的综合水流结构，包括桥墩迎水面向下水流和两侧绕流在床面附近形成的马蹄形漩涡，桥墩两侧边界层分离产生的尾流漩涡以及在墩两侧和墩后由床面附近释放的小漩涡.T.F.Kwan［2］采用氢气泡技术对翼墙型桥墩局部流场进行分析，其研究方法与H.N.C.Breusers等相似.W.H.Graf［3－4］等采用ADVP流速测量仪对圆柱绕流的三维流场进行了详细的测量，并根据流场计算了涡量场的分布，结果表明圆柱周围存在一个马蹄涡，底部伴随着涡量为负的反向流.S.Dey和孙东坡等［5－7］使用ADV流速仪分析了桥墩周围时均流速、雷诺应力、紊流强度的分布情况.齐鄂荣等［8］采用PIV技术对绕过矩形突起建筑物的水流进行了平面二维测量，得到了一些平面角涡生成和演化的规律.

B.Yulisitiyanto等［9］采用二维浅水方程求解圆柱绕流流场和自由水面波动，模型中使用MacCormack格式来离散方程.耿艳芬等［10］采用无结构的有限体积法，建立了平面二维浅水运动的数学模型，通过对桥墩形状的准确描述，模拟了桥墩局部流场以及桥墩的壅水情况.J.G.Duan［11］采用二维水动力模型研究桥墩周围流场及桥墩周围剪应力分布.I.Istiarto［12］采用标准k－ε紊流模型模拟了圆柱桥墩周围的绕流，并与实测流场进行了详细的对比，发现计算的流速与实测值较为吻合，紊动动能的预测偏小.何国建等［13］用标准的kε紊流模型求解N－S方程得到三维流场，通过对运动方程的垂向平均积分得到求解水位的泊松方程，将该模型应用到不同收缩比条件下桥墩的绕流壅水高度计算，得到了满意的结果.L.Ge等［14－15］采用非恒定雷诺平均二维数学模型来模拟复杂桥梁墩台的绕流流场，得到了大尺度的非恒定漩涡形态，并比较了最大剪切流速分布带与最终冲刷床面的最大冲深带，分析了垂向流速对最大冲深带分布位置的影响.G.Kirkil等［16］采用大涡模拟研究了圆柱形桥墩周围冲刷平衡时的地形情况，分析了桥墩周围涡旋运动及床面剪应力分布.孙东坡等［17］采用有限控制体积法对有拦沙坝的桥墩局部流场进行了三维数值模拟，与ADV测速仪实测值进行对比具有较好的吻合性，数值模拟结果符合桥墩局部流场的特征，并反映了横轴环流的成因与强度，可以补充完善试验测量值.国内一些学者［18－20］研究了桥墩群对河道水流的影响和桥墩理想液体绕流特性.

2 桥墩紊流宽度影响因素分析及计算

2.1 桥墩紊流宽度影响因素分析

(1)来流参数 影响桥墩紊流宽度的来流参数包括行近流速、行近水深和来流角度等，这些参数对于桥墩紊流宽度至关重要，其中行近流速对桥墩紊流宽度的影响最为显著.祖小勇等［21］认为桥墩对紊流强度的变化影响存在极值，极值大小和出现位置与流速有关，流速越大，极值越大，且极值位置与桥墩的距离也越大.胡旭跃等［22］通过试验研究得出紊流宽度随水流弗劳德数的增加而近似线性加大.庄元［23］根据试验结果，认为在其他条件相同的情况下，随着行近水深的增大，桥墩紊流宽度增大.杨志军等［24］认为随着桥墩与水流的夹角增大，桥墩两侧紊流呈不对称分布，但总宽度基本上保持不变，而紊流区长度增大.祖小勇［21］认为当水流流向与桥墩轴线的法线方向交角大于5°后，桥墩两侧的通航影响宽度呈明显的不对称分布.李付军等［18］指出斜交桥下的水流流向偏转角度随斜交角度的增大先增大后减小，其极大值随压缩比的减小而增大.

(2)桥墩参数 影响桥墩紊流宽度的桥墩参数主要包括桥墩尺寸、结构形式、桥墩布置形式等.何国建等［13］认为当桥墩宽度较小，桥墩后形成大小、形状相似的2个对称漩涡，下游流线较顺直，随着桥墩宽度的加大，桥墩后面的漩涡逐渐趋于非对称，并影响到下游流线，出现涡街.庄元［23］指出桥墩墩型应尽量呈流线型，突变的结构型式容易使水流离体从而形成较大尺度的漩涡，并通过引入墩型系数来考虑桥墩墩型对桥墩紊流宽度的影响.耿艳芬等［10］指出相对于断面面积，桥墩的阻水面积对壅水高度和水流变化的影响较大.刘宝军等［25］通过水槽试验得出异形桥墩在上下游桥墩之间，水流流态紊乱.许保华等［26］认为桩基础桥墩由于各桩柱之间透水对桥墩周围水流流场的影响相对较小.

(3)桥墩冲刷 桥墩冲刷对桥墩紊流宽度影响较小，且桥墩冲刷主要发生在桥梁建设初期，其后冲淤渐趋平衡，桥墩紊流宽度改变也越来越小.实际桥梁建设中，桥墩墩周冲刷坑在施工阶段已形成.房世龙［27］指出随着冲刷的持续，桥墩周围的下降水流、马蹄形漩涡、表面旋滚和尾流漩涡都逐步发展，各方向上的紊动强度也都逐渐增大，这是冲刷坑的出现和发展对水流的反作用.应该选择在冲刷开始之前及时采取保护措施，限制桥墩局部冲刷，以遏制桥墩周围各种漩涡体系的发展.

2.2 桥墩紊流宽度计算

胡旭跃等［22］利用PIV技术测量了建桥河道中的二维水流流场，并根据水流表层涡漩情况确定桥墩紊流宽度，得到顺直水槽单个圆柱形桥墩两侧水流表层涡漩区宽度与弗劳德数Fr(0.14～0.4)的相关关系.当两墩间距与桥墩宽度的比值不小于10时，桥墩间距对紊动宽度影响甚小，按单个桥墩计算.

式中:B为紊流宽度;D为桥墩宽度;B/D为相对紊流宽度.

许保华等［26］通过水槽动床模型试验，分析了多种结构型式的桥墩在多种水流方向条件下的通航影响宽度，得到水流方向与桥墩轴线法线方向夹角β变化条件下的桥墩周围单侧通航影响宽度Ds的计算方法:

庄元［23］通过水槽定床和动床试验进行对比分析，分析了行近流速、行近水深、来流角度、桥墩尺寸、桥墩墩型和桥墩冲刷等因素对桥墩紊流宽度的影响，并认为以定床模型试验成果作为桥墩紊流宽度的最终结果在一定程度上更加合理，函数关系表示为 E=0.88Ksv0.75b0.56h0.44，其中:E 为桥墩紊流总宽度(m);Ks为与桥墩形状相关的系数;v为墩前水流流速(m/s);b为墩形计算宽度(m);h为桥墩附近水深(m).对于圆柱墩和片状墩:Ks=1.0;b即为桥墩宽度.对于圆头墩:Ks=0.8;b=(墩长－墩宽)×sinα+墩宽;α为桥轴线与水流夹角.对于尖头墩:Ks=0.66;b=(墩长－墩宽)×sinα+墩宽.对于方头墩:Ks=1.2;b=(墩长×sinα +墩宽×cosα).该试验所测紊流宽度指墩尾紊动宽度之和，比胡旭跃的试验结果［22］偏大.

何小花等［7］通过概化水槽试验，采用MicroADV流速仪测量瞬时流速，得到矩形桥墩周围纵向、横向和垂向时均流速和紊流强度的横向分布，发现水下的紊流强度相对水面的紊流强度要大，同时认为在确定通航不安全紊流范围时，应考虑水面以下涡漩运动更剧烈的区域;比较了有、无桥墩的时均流速和紊流强度横向分布变化，得出桥墩对时均流速和紊流强度的影响幅度和范围;另外给出了桥墩最大相对紊流宽度随断面平均流速U 的变化关系:(B/D)max=0.2241lnU+1.3286.

祖小勇［21］认为桥墩对紊流强度的变化影响存在极值，极值大小和出现位置与流速有关，流速越大，极值越大，且极值位置与桥墩的距离也越大.根据极值出现位置离桥墩距离确定紊流宽度，即(X－D/2)作为紊流宽度 B，B/D 与 Fr的函数关系可表示为:(B/D)=3.9977Fr0.6.

从以上研究可以看出，对桥墩紊流宽度的研究还是有欠缺的，主要表现在:

(1)对于桥墩紊流宽度的定义各学者看法并不一致，一些学者以桥墩周围表层水流为研究对象，借助示踪剂及PIV技术来研究紊流宽度;也有学者以水面以下的水流为研究对象，使用ADV测量瞬时流速，并对比有墩无墩紊流强度的变化，确定矩形桥墩的紊流宽度.

(2)上述桥墩紊流宽度计算公式主要通过一些特殊的墩型进行试验研究得出，对影响紊流宽度的主要因素考虑得不够全面和具体，并且缺乏工程实例的验证，导致这些公式的使用范围受到很大的限制.范平易［28］等基于数值模拟结果并利用胡旭跃与庄元总结的通航影响宽度公式，计算了苏通大桥北桥墩的通航影响宽度，发现按二者的计算方法所得结果差别较大.

(3)目前桥墩紊流宽度的计算公式主要采用水槽试验研究数据，通过量纲分析的方法推导得出，方法比较单一，通过数学模型、船模试验等多种相结合的方法来确定桥墩紊流宽度的研究还比较少，今后应加强这方面的研究.

3 桥墩紊流对通航净宽的影响

《内河通航标准》［29］中对过河建筑物的通航净宽的加大值依照横流的大小取值.《通航海轮桥梁通航标准》［30］中确定通航孔净空宽度，是根据《海港总平面设计规范》中进港航道的宽度，再乘以适当的扩大系数得出的.美国联邦公路管理局依据船舶撞击桥梁历史记录资料，从减小船舶撞击桥梁的角度出发，建议新建桥梁桥跨桥墩位置距航道边缘线不宜小于2或3倍墩宽.

杨斌等［31］指出大桥的通航净宽应扣除桥位不良流态区，桥梁墩台宜尽可能远离航线.沈小雄等［32］从船舶和桥梁的安全考虑认为应将桥墩周围的紊动宽度作为航道边线与桥墩之间的安全距离.杨志军［24］根据船舶操纵性能，结合水流在弯道上的运动特性，提出影响航道宽度的因素，探讨具有弯曲特性河道上桥梁通航所需要的宽度，指出航道宽度的确定还应考虑流致偏航距、风致偏移量和桥墩紊流宽度.彭钜新［33］在确定通航净宽的加宽值时指出，除了考虑墩柱附近出现的紊流、水流流向与航道轴线的夹角和横向流速等因素外，还应考虑因斜交导致的桥净跨加宽的因素.

现有的标准和规范对墩柱附近出现碍航紊流时通航孔的净宽增加值考虑还不全面，为保证船舶航行安全，桥梁设计人员通常将过河建筑物的跨度加大，既增加了结构的设计难度，又增加了工程投资，开展桥墩紊流宽度对通航净宽的影响研究在水运、桥梁建设等方面有着重大现实意义.船舶经过通航孔时遇到的险流的产生实际上是船舶波、水流、桥墩等共同作用的结果，今后可进一步研究桥墩与航道边线安全距离及危害行船安全险流产生的机理.

4 结语

许多研究者对各类桥墩紊流问题进行过大量的研究，试验与理论研究增加了对桥墩紊流问题的理解.目前与桥墩紊流宽度计算相关的一些最基本参数的成果有很多，但由于问题的复杂性，还未形成统一的结论.

今后的研究，应在试验观察的基础上，结合数学模型，综合考虑多种影响因素，完善桥墩紊流宽度计算模型，对各参数进行概念上的统一，方便研究者及工程设计人员对已有成果的深入研究与应用.可从以下几个方面加强研究:

(1)开展和加强桥墩紊流宽度的调研和大比尺模型试验研究.在此基础上结合实船试验、理论分析、船模试验、数学模拟等方法，深入研究桥墩紊流宽度对通航净宽的影响.

(2)目前，基于对桥区通航安全问题的考虑，越来越多的桥墩设置了防撞装置，研究人员针对这些防撞装置以及施工围堰对桥区航道通航净宽影响的研究还比较少.

(3)由于多方面因素的影响，桥墩冲刷过程中及冲刷平衡后，冲刷坑对桥墩周围水流结构影响的研究比较少，今后如能实现桥墩周围全流场测量以及建立能够模拟桥墩周围局部冲刷动态过程的数学模型，无疑有利于对桥墩紊流机理更透彻的理解.

(4)针对目前出现的桥群现象，开展上下游桥墩之间相互干扰和尾流相互作用下的紊流宽度研究对于桥梁建设以及通航安全有着重要的现实意义.

(5)处于库区回水变动区及感潮河段等复杂水域的桥墩，其周围紊流宽度的研究也是将来的研究重点.

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