典型桥墩局部冲刷及防护特性数值模拟研究

(1.中铁大桥勘测设计院集团有限公司，湖北 武汉 430050; 2.南京水利科学研究院，江苏 南京 210029; 3.水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏 南京 210098)

涉水桥梁桥墩的阻水作用，必然导致水流(海流)与泥沙相互作用发生变化。桥墩局部冲刷的发生，也促使河(海)床作出相应调整，不仅影响到桥梁所在河段的演变趋势，而且还可能威胁到桥梁建筑物本身的安全与稳定。对桥墩局部冲刷深度的可靠预测以及采取适当的冲刷防护措施是保证桥梁安全运行的基础，因此必须对桥墩局部冲刷及防护引起足够重视[1]。

对于单向流作用下的桥墩局部冲刷问题，国内外研究者通过一个多世纪的研究，已经取得了相对比较成熟的研究成果[2-4]。但随着沿海经济的快速发展，大型跨海桥梁的建设越来越多，跨海湾(河口)桥梁基础所处的海域往往具有水深、浪高、双向非恒定潮流等水动力条件复杂的特点，使现有单向流冲刷研究成果难以适用于跨海桥梁基础的冲刷问题[5]。目前，对于跨海桥梁基础的冲刷研究还处于初级阶段，国内已建的、在建的跨海大桥桥梁基础的冲刷大都通过专门的水槽模型试验专题测定[6-7]，就物理模型而言，除了投资大、存在比尺效应外，还存在周期长、可移植性差等缺点，难以完全适应多因素、大范围、多方案的工程规划问题。因此，应用数学模型研究这类问题，无疑是今后的发展方向。本文通过FLOW-3D建立波流共同作用下的三维桥墩冲刷及防护数学模型，针对典型桥墩在波流作用下的冲刷及防护特性进行了研究分析，其研究方法可为类似研究提供参考，其研究结果亦具有重要的理论价值和现实意义。

1 数值模型建立及验证

1.1 模型建立

该数学模型设置了长16.675 m、宽13.34 m、高0.3 m的长方体区域为计算的区域。模型桥墩为圆柱桥墩，高5.0 m，直径66.7 cm或36.0 cm，桥墩位于距离模型最前端 10.005 m(即为圆柱直径的10倍)处。在X方向，对桥墩前后1 m范围内进行了局部加密，划分的网格单元数为150个；在Y方向，桥墩左右1m范围内，划分的网格单元数为120个，模型的总体网格设置为180×170×100个。模型的平面图和网格划分如图 1所示。

图1 模型的平面图和网格划分示意

1.2 模型验证

本文数值模拟研究及验证采用文献[5]的物理模型，该模型采用1∶1的设计比尺,具体设置如下：动床面长6 m，宽5 m，泥沙床面厚度 0.3 m，泥沙选用中值粒径 0.12 mm、分选系数为1.15的粉砂，试验中水深0.467 m，选取3种不同来流流速，分别为4.23，7 cm/s和10.06 cm/s。选择2种不同墩柱直径，分别为36 cm和 66.7 cm。各组试验中，水深恒定，在物理模型实验中，加上波浪的作用，选取11组不同波高和波浪周期进行试验，具体组次安排见表1。

表1 数值模拟和物理模型试验组次

注：D为桥墩直径，h为模型水深，v为边界流速，H为入射波高，T为入射波周期。

边界上面的设置完全按照1∶1输入表1的流速、波高、水深和波浪周期值。验证结果如图 2所示。结果表明，所建模型模拟效果较好。

图2 最大冲刷深度实测值与模拟值对比

2 桥墩水沙动力特性分析

2.1 流速分布特性

如图 3(a)所示，在桥墩的前方泥沙区域，有明显的马蹄形漩涡产生，而且沿墩柱的竖直方向，由上至下的下泄水流明显，这是因为桥墩结构物阻碍了水流的前进，致使桥墩前端的水面出现明显的壅高现象，且在桥墩前端部分达到最高值。如图 3(b)所示，当水流作用接触桥墩时会发生绕流，系统设置墩柱边壁的流速为无流速，由于桥墩两侧绕流的存在，流速较大。桥墩迎水面阻水的能力阻碍了水流，产生了壅水现象，也使桥墩前端部分的流速减小为零。壅水现象是向下竖直水流产生的原因。

图3 墩柱附近流速结构示意

2.2 冲刷特性分析

以第二组数值模拟为例：在墩柱周围选取6个特征断面，分别是X=-R、0、R与Y=-R、0、R，由图 4(a)～(f)所示，冲刷从400 s到500 s的过程中，冲刷深度的量逐渐减小，冲刷渐渐趋近动态平衡。从400 s的断面冲刷量到500 s的断面冲刷量，冲刷增加量仅为桥墩墩半径的1.36%，基本达到了冲淤平衡。在冲淤平衡时刻，冲刷最大深度为 8.2 cm，与实验值进行比较，相差仅 1.8 cm，说明模型计算具有一定准确性。

图4 不同特征断面冲淤变化

3 防护结果分析

3.1 防护位置对冲刷的影响

设置了3种高程,研究防护高度对冲刷的影响:①工况1:当Z=0.29 m时，护圈埋在泥沙中；②工况2:Z=0.31 m时，护圈保护结构物与泥沙面齐平;③工况3:Z=0.32 m时，护圈保护结构物的底面距动床床面距离为1 cm。其中Z为护圈结构物距离床沙顶部的距离，具体示意见图 5。

图5 保护结构物冲刷示意

如图 6所示，当护圈结构物与动床床面齐平的情况下，最大冲刷深度的减小量最大，护圈保护结构物抑制冲刷效率最高(其中，R为护圈桥墩保护结构物的半径，r为桥墩半径)。

图6 不同摆放位置时的最大冲刷深度比较

3.2 防护面积对冲刷的影响

为研究防护面积对桥墩冲刷的影响，设置3种防护面积，R=0.29r，R=0.31r及R=0.32r。根据已有研究成果分析，当护圈摆放在相同的相对床面高度时，不同的护圈半径对于最大冲刷深度的影响不同，若护圈半径增大，将会使最大冲刷深度明显减小，抑制冲刷效率增加。

如图 7所示，随着护圈半径增大，在相同护圈相对高度的情况下，最大冲刷深度明显较小，这是由于护圈半径增大后，更多地阻碍了桥墩周围的紊动水流对泥沙的淘刷，水流对桥墩周围的泥沙的侵蚀作用随着护圈的增加而不断减小，使桥墩周围的泥沙冲刷量也急速减小。护圈结构物半径增加的过程中，对于桥墩周围泥沙的保护作用是不断加强的。

图7 不同护圈半径下的最大冲刷深度比较

4 结 论

(1)FLOW-3D模型能准确模拟出桥墩四周的三维紊动流态，包括马蹄形漩涡、尾涡摆动以及边界层分离，而且表现出墩柱迎水面下泄水流对桥墩迎水面底部的冲刷作用。

(2)FLOW-3D在计算三维桥墩局部冲刷有下列特点：模型能够在很短的模拟时间之内，快速达到冲刷动态平衡，而且达到冲刷动态平衡时刻的最大冲刷深度值与物理模型试验实测值相差约在10%～30%之间。

(3)护圈保护结构物对于桥墩四周的局部冲刷有较好的抑制作用，可有效保护桥墩四周的泥沙不被三维的紊动水流侵蚀。研究表明：当护圈保护结构物与泥沙床面齐平的时候，护圈保护结构物直径越大，保护效果越好；护圈结构物与泥沙床面齐平的时候保护效果最好，这种方案优于护圈浮于泥沙床面以及护圈与泥沙床面距离较远的情况。

参考文献:

[1] 韩海骞, 熊绍隆, 孙志林. 潮流作用下桥墩局部冲刷深度计算公式的建立与验证[J]. 泥沙研究, 2016(1): 9-13.

[2] 祝志文, 喻鹏. 中美规范桥墩局部冲刷深度计算的比较研究[J]. 中国公路学报, 2016，29(1): 36-43.

[3] 梁森栋, 张永良. 大桥复合桥墩局部冲刷深度的计算分析[J]. 水利学报, 2011，42(11): 1334-1340.

[4] Khosronejad, A., S. Kang, F. Sotiropoulos. Experimental and computational investigation of local scour around bridge piers[J]. Advances in Water Resources, 2012，37(1): 73-85.

[5] 刘德良. 波浪与水流共同作用下大尺度建筑物周围的局部冲刷[D].大连:大连理工大学,2004.

[6] 张新燕, 吕宏兴,沈波. 圆柱桥墩局部冲刷机理试验研究[J]. 水利水运工程学报, 2012(2): 34-41.

[7] 房世龙, 钱俊峰,陈红. 圆柱桥墩清水局部冲刷透水三杆架体防护特性试验研究[J]. 水电能源科学, 2015(8): 98-102.