复杂山区水库蓄水影响下的库区桥址风特性数值模拟研究

王云飞, 汪斌, 李永乐

(西南交通大学桥梁工程系， 四川 成都 610031)

复杂山区水库蓄水影响下的库区桥址风特性数值模拟研究

王云飞, 汪斌, 李永乐

(西南交通大学桥梁工程系， 四川 成都 610031)

以某复杂深切峡谷大跨度悬索桥为工程背景， 构建桥址区水库蓄水后的地形数值模型， 对桥址区进行区域地形风场数值模拟研究. 通过36个不同来流工况的对比分析， 探讨水库蓄水后的主梁平均风速、 风攻角、 风剖面以及风速放大系数在不同来流风向下的变化规律. 研究表明, 山区库区桥址风场特性分布比较复杂： 主梁横桥向平均风速随来流风向变化较大， 主梁出现较大负攻角效应； 典型工况下横桥向风速沿主梁由北岸向南岸递减； 多数工况下， 桥址区风剖面分布复杂， 远不同于常规指数律； 桥位出现较明显的峡谷风效应， 风速放大系数最高达1.06. 研究结果为水库库区大跨度桥梁的抗风设计提供一定的依据.

水库蓄水； 复杂山区； 大跨度桥梁； 风场特性； 数值模拟

0 引言

悬索桥因其超强的跨越能力被广泛应用于桥梁工程， 但由于悬索桥本身的跨度大、 结构纤柔， 是对风环境最为敏感的桥型[1]. 近些年来， 随着我国西部大开发战略的逐步推进， 我国相继修建了几座山区悬索桥， 如贵州坝陵河桥、 湖南矮寨桥和云南龙江桥等. 山区峡谷地带的风环境由于受到区域复杂地形地貌的干扰而表现出复杂的空间分布， 因此远不同于一般地貌下的风特性， 不满足各向同性的要求[2]. 当悬索桥跨越山区峡谷时， 必然要承受其复杂的风环境， 设计首先要解决的问题就是要确定桥位处的风特性. 现有的规范仅适用于开阔地带各向同性的风场条件， 关于山区峡谷地带只做了简单修正[3]. 由于山区地貌复杂多变， 对具体桥位开展风特性研究十分必要.

我国西部山区河流随地势变化落差大、 流量大、 山体等高线密集， 得到较多水电大坝选址的青睐. 水电大坝蓄水后， 大坝上游区域的峡谷被淹没， 地形地貌发生巨大变化， 同时也会改变峡谷内的风环境[4]. 因此， 当大跨度悬索桥位于水坝库区的影响范围内， 仍采用原始的风特性参数进行抗风设计是不符合事实的， 此时必须考虑水库蓄水对桥位风特性形的影响. 目前国内外关于山区大坝蓄水后的库区桥位风场研究鲜有报道.

当前， 在缺乏实测资料的情况下， 地形模型风洞试验和数值风洞CFD常用来获取复杂山区的风特性资料. 其中数值模拟方法以其方便节约、 重复性好、 不受试验中固有约束的影响等诸多优点受到越来越多学者的关注. Yamaguchi等[5]采用标准k-ε湍流模型对区域风场进行了线性与非线性的数值模拟得到风速及风向的分布情况， 其中非线性模拟结果与风洞试验结果较为一致. Xiao 等[6]针对10.1 km×6.9 km 区域内小岛的风速和风向， 应用不同的湍流模型进行了区域风场的数值模拟， 并将数值结果与实测结果进行了对比. 李永乐等[7]针对8 km×8 km深切峡谷桥址区域进行了数值模拟分析， 根据风速沿主梁方向的变化特点， 得出了平均风速和风攻角的联合分布， 在一定程度上揭示了深切峡谷桥址区空间风场的分布特征. 周志勇等[8]针对23 km×27 km的大范围区域复杂地形的风环境采用Reynolds时均Navier-Stokes方程和Realizablek-ε模型进行了数值模拟研究， 对比分析了多种网格类型和网格尺度划分对模拟精度的影响， 为同类大范围区域风场模拟提供了参考. 与以上研究对象不同， 本研究桥址处位于一水电大坝上游库区的深切峡谷内， 在分析时重点考虑了水库蓄水后地貌的改变及风场特性的特点.

为研究大坝蓄水后桥址区的风特性， 以实桥地形为对象， 利用CFD数值模拟的方法， 应用Fluent软件仿真分析大坝蓄水后的桥址风场特性， 探讨桥址区风速的分布特点， 为该类跨越库区的大跨度桥梁的抗风设计提供一定的依据.

1 数值分析模型

西部某水库库区峡谷悬索桥跨径766 m， 桥面海拔标高2 065 m， 距离谷底260 m， 如图1所示. 该桥址区地表起伏剧烈， 河道最窄处仅30～60 m， 水流湍急， 两岸山峰至河谷底的最大海拔差超过3 800 m， 属于典型的高海拔复杂深切峡谷地带. 水电大坝位于桥位下游1.9 km处， 水库正常蓄水位2 010 m(距离桥面50 m).

图1 桥跨布置图(单位： m)Fig.1 Overall configuration of the bridge in case study(unit: m)

为充分考虑水库蓄水的影响范围， 以桥位为中心选取20 km×20 km的区域作为分析对象. 为模拟水库蓄水后的地形曲面， 首先用MATLAB将得到的地形高程数据插值形成标准30 m×30 m水平分辨率的格点数据(见图2)， 然后将大坝上游所有低于蓄水位的高程点坐标修正为蓄水位高程， 最后将修改后的格点数据导入Gambit中进行曲面拟合， 得到的水库蓄水后地形曲面如图3所示.

采用ICEM进行网格划分， 计算区域最低高程为1.66 km， 顶部高程取为11.26 km. 采用四面体非结构化网格对计算区域进行离散， 地形底面网格分辨率最高达到60 m. 高度方向， 近地层采用棱柱体网格划分， 划分为4层， 总高度35 m， 第一层网格高5 m， 模型网格总数422万.

图2 地形标准点阵数据Fig.2 Standard point matrix of the terrain

图3 水库蓄水后的地形几何模型Fig.3 Geometric terrain model after reservoir water storage

2 求解参数及工况设置

2.1 求解参数设置

将划分的网格模型导入Fluent中进行相关设置， 采用有限体积法(FVM)对控制方程进行离散. 湍流模型选择SSTk-ω模型， 求解器选用全隐式分离求解器. 对压力与速度的耦合选用SIMPLEC算法， 压力、 动量、 湍动能、 湍动耗散率的离散均使用二阶迎风格式.

入口来流风速分布设置参考文献7， 即风场计算中入口来流风速分布采用气象站标准场地(B类地表)对应的风速廓面. 计算入口风速通过用户自定义函数(UDF)进行设置， 考虑到桥址区属于高海拔深切峡谷， 高程3.6 km以上部分风速取为梯度风速50 m·s-1， 高程3.6 km以下部分按B类地表风速随高度变化的指数规律进行设置. 高程1.66 km处为入口处谷底， 桥面高度入口处风速为38.91 m·s-1.

2.2 工况设置

为研究桥位风环境特征， 沿主梁轴向自南岸向北岸布置10个数据观测点. 为得到桥址区风速沿高度方向的变化特点， 在1/2主跨和索塔处沿高度方向布置一定数量的观测点， 各观测点的位置分布如图4所示. 为分析不同来流风向工况下桥位风场的分布规律， 计算入口来流取36个方向， 从正北方向开始顺时针每10°一个工况， 如图5所示.

图4 风速监测点分布图Fig.4 Distribution of wind velocity observation points

图5 来流风向示意图Fig.5 Sketch of wind directions involved

3 计算结果及分析

3.1 主梁横桥向平均风速及风攻角

有代表性地选取主跨跨中附近的5个观测点(图4取定风速区)， 以其横桥向风速结果的平均值作为相应工况的主梁横桥向平均风速. 图6为主梁横桥向平均风速(绝对值)和平均风攻角的随不同来流风向的分布情况. 由图6可以发现， 主梁横桥向平均风速和风攻角随来流风向变化较大且复杂， 未呈现出明显的规律. 整体来看， 由于主流河道在桥位附近有比较大的转向， 当入口来流风向在桥位河道走向与上游主流河道走向附近时(南偏西20°到南偏西80°， 即210°～260°)， 风速流动受Y形河口两侧山体的挤压影响， 使得桥位河道主梁横桥向平均风速比其他工况明显都大.

图7为主梁横桥向平均风速绝对值和平均风攻角的联合分布情况. 由图7可知， 主梁出现了较大的负攻角效应， 而正攻角效应并不明显. 图中绘出了各工况的包络线和具体风速与风攻角的取定值， 可用于风洞试验中确定横桥向风速与风攻角的对应关系. 而对于包络线外的其它风攻角范围， 虽然风攻角很大， 但相应的横桥向平均风速相对较小， 对结构的抗风性能不起控制作用.

图6 横桥向平均风速(绝对值)及风攻角随来流风向的变化Fig.6 Variation of average transverse wind velocity and average wind attack angle with wind direction

图7 平均风速随风攻角的变化Fig.7 Variation of average wind velocity with wind attack angle

3.2 桥址区的峡谷风效应

图8 风速放大系数玫瑰图 Fig.8 Rose diagram of wind velocity magnification factors

通常认为， 当气流从开阔地向峡谷区域流入时， 因为在峡谷中流区受到压缩， 其风速将会增强， 由此会形成峡谷风效应. 为考察水库蓄水后峡谷内桥址区的峡谷风效应， 取上节中主梁横桥向平均风速与桥面高度处入口风速的比值作为相应工况的风速放大系数， 以此来考察其峡谷风效应. 各工况风速放大系数计算结果如图8所示， 由图8可知， 桥址区出现较明显的风速放大系数， 在220°和250°来流工况下(来流风向位于主流河道)， 最大风速放大系数分别达到1.05和1.06.

分析认为桥位河道相对主流河道要狭窄许多， 且两岸海拔落差较大， 当风从宽阔的上游河道吹向下游时， 受峡谷导流作用， 风在河谷转向处流向下游桥位河道. 由于气流受两岸山体的挤压， 其流动空间明显变窄， 这导致风速产生一定的狭管效应， 从而导致桥址区产生了较明显的峡谷风效应. 而当风从桥位河道下游吹向上游时， 由于山体的遮挡效应和坝址处的地形突变干扰而风速较小， 没有加速效应.

3.3 沿主梁轴向各测点风特性分布

3.1节表明， 跟其他工况相比， 当来流方向位于210°～260°范围内时， 主梁横桥向平均风速比其他工况都大， 因此仅分析在210°～260°来流工况下时风特性的轴向的分布规律. 图9、 10分别为主梁横桥向风速及风攻角沿主梁轴向分布结果. 由两图可知， 横桥向风速沿轴向整体分布规律比较相似， 而且沿主梁轴向从河谷北岸到南岸各测点横桥向风速均呈现出递减的规律. 而风攻角的分布规律除在轴向两端处由于测点靠近山体， 受局部地形影响较大而造成的差异较大外， 其沿轴向分布规律也比较相近.

为直观地观察峡谷内风速流动及分布情况， 分别导出典型工况220°和250°来流工况下桥面高度处平面的风速矢量图， 如图11、 12所示. 通过观察图中风速流动和风速大小分布情况可以发现， 在桥面高度处， 主流河道部分要大大宽于桥位河道， 这使得风从上游向下游流动时流动空间明显变窄， 这会导致风速产生一定的狭管效应. 图11中主流河道风速大于桥位河道是因为来流风向更接近主流河道方向的原因， 图12中上游主流河道风速小于桥位河道风速， 这更能反映Y形峡谷的加速效应. 从图中还可以发现， 桥梁靠近峡谷北岸区域的风速明显要大于主梁其他位置处的风速， 沿主梁轴向各测点的横桥向风速从河谷北岸到南岸均呈现出递减规律， 这是因为桥梁接北岸的位置为一座突出的山脊地形(如图中所示)， 当风从此处流过时会受到山脊的作用而加速.

图9 横桥向风速沿主梁轴向分布Fig.9 Distribution of transverse wind velocitiy along bridge deck

图10 风攻角沿主梁轴向分布Fig.10 Distribution of attack angle along bridge deck

图11 桥面高度处平面风速矢量图 (工况220°)Fig.11 Wind velocity vector at the height of bridge deck (case 220°)

图12 桥面高度处平面风速矢量图 (工况250°)Fig.12 Wind velocity vector at the height of bridge deck (case 250°)

3.4 风特性沿高度的分布

为分析大坝蓄水后的桥址区风剖面特性， 选取典型来流工况(210°～260°)和其对应的反向各工况(即30°～80°来流， 见图5)， 考察各工况下的横桥向风速剖面特性. 图13、 14分别为210°～260°来流工况下， 跨中和索塔位置处的横桥向风速剖面图； 图15、 16分别为30°～80°来流工况下横桥向风速剖面图. 由各工况风速沿高度的变化情况可知， 由于受桥址区周围复杂地貌的影响， 以及桥位处地形海拔的巨大落差和大坝蓄水对低海拔区域地形的巨大改变， 风速随高度的变化规律与常规的指数律或对数律的差异较大， 许多工况在峡谷不同高程风速变化曲线出现拐点， 呈现复杂的S形变化， 部分工况甚至出现多个拐点.

图13 跨中位置风剖面(210°～260°)Fig.13 Wind profile at mid-span(210°～260°)

图14 索塔处竖向风剖面(210°～260°)Fig.14 Wind profile at bridge tower(210°～260°)

图15 跨中位置风剖面(30°～80°)Fig.15 Wind profile at mid-span(30°～80°)

图16 索塔处竖向风剖面(30°～80°)Fig.16 Wind profile at bridge tower(30°～80°)

通过对比210°～260°来流工况和其反向的30°～80°来流工况的风剖面可以发现： 210°～260°来流工况下， 除个别工况(230°)外， 大部分工况的风剖面形状并不太复杂， 多数工况风速在高程为4.0 km时基本稳定. 而对于反向来流各工况， 其风速剖面较为复杂， 各工况均呈现出复杂的S形变化. 分析认为二者差异的原因在于： 当来流风向位于210°～260°范围时， 来流从较宽阔的Y形峡谷上游吹向下游， 来流所受山体干扰较小， 且水坝蓄水在上游形成了相对平坦的大面积底层边界， 使得流域更为开阔. 相反， 当来流风向位于30°～80°范围内时， 由地形图(见图3、 5)可知， 来流沿深切峡谷流动， 受两侧极陡地貌干扰较大， 且风从下游吹向上游时气流会受到坝址处地形突变的影响， 在一定程度上使流动变得更加复杂.

4 结语

通过对大坝蓄水后桥址区风特性的多工况分析， 可得出以下结论：

1) 库区峡谷内主梁横桥向平均风速和风攻角随来流风向变化较大且复杂， 当入口来流风向在桥位河道走向与上游主流河道走向附近时(即210°～260°来流)平均风速达到最大值； 主梁出现较大的负攻角效应.

2) 来流方向位于200°～260°(主梁平均风速最不利)范围内时， 横桥向风速沿轴向整体分布规律相似， 而且沿主梁轴向从河谷北岸到南岸各测点横桥向风速均呈现递减的规律. 而风攻角的分布规律除在轴向两端处由于测点靠近山体， 受局部地形影响造成的差异较大外， 其沿轴向分布规律也比较相近.

3) 库区桥位处出现了较明显的峡谷风效应， 当来流风向为250°时， 库区峡谷风速放大系数达到最大值1.06.

4) 多数工况下， 库区桥址风剖面分布复杂， 远不同于常规指数律； 210°～260°来流工况下， 除个别工况(230°)外， 其他工况的风剖面形状并不太复杂； 然而对于相应的反向来流30°～80°的各工况， 其风速剖面非常复杂， 各工况均呈现出复杂的S形变化.

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(责任编辑： 洪江星)

Numericalsimulationofwindcharacteristicsoverbridgesiteincomplicatedmountainsundertheinfluenceofreservoirwaterstorage

WANG Yunfei, WANG Bin, LI Yongle

(Department of Bridge Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu, Sichuan 610031, China)

A long-span suspension bridge over a deep-cutting gorge in complicated mountain area is regarded as an example. The numerical terrain model after reservoir water storage is built. Numerical simulation of the wind field distribution of the bridge site is carried out. According to comparative analysis of 36 cases of different wind directions， the variation of average wind velocity， wind attack angel， wind profile， and wind velocity amplification factor along bridge deck in different flow directions are discussed. The result shows that the mountain wind characteristics over the reservoir area is very complex. Transverse average wind velocities of bridge deck change a lot in different flow directions, and a big negative attack angel is found on bridge deck. Transverse wind velocities decline along the bridge deck from north shore to the south shore in typical cases. Distribution of wind profile is complex in most cases， which is far different from the general exponential law. The bridge site has a relatively obvious acceleration effect with a wind velocity amplification factor up to 1.06. The research conclusions provide a basis for wind-resistant design of long-span mountain bridges over reservoir area.

reservoir water storage； complicated mountain； long-span bridge； wind characteristic； numerical simulation

TU375.4

A

10.7631/issn.1000-2243.2017.04.0466

1000-2243(2017)04-0466-06

2017-02-22

李永乐(1972-)， 男， 教授， 主要从事桥梁风工程方面的研究， lele@swjtu.edu.cn

国家自然科学基金资助项目(51525804, 51508480); 四川省青年科技创新研究团队资助项目(2015TD0004)