不同桥墩结构形式对通航水流条件的影响研究

何传凯

(大唐水电科学技术研究院有限公司，四川 成都 610031)

1 概述

桥墩结构普遍采用方形墩、片状墩、圆头墩、圆柱墩等结构形式，目前对于桥墩结构形式对通航水流条件的影响研究较少，陈景开[1]等通过二维水流模型，研究了双圆柱墩和方头墩对近堤水流流速和墩堤间局部流场等行洪水流条件的影响；李彬[2]等通过调整桥墩与斜交水流的夹角，研究了桥墩布置形式对河道局部流场的影响；杨忠超[3]、魏祥龙[4]等通过数值模拟，分析了桥墩对通航水流条件的影响；吴剑[5]通过flow-3D软件，考虑不同来流角度以及桥墩之间的间距，分析了圆柱墩和圆头墩的通航水流条件。以上学者只是单纯研究了建桥前后桥墩对通航水流条件的影响，或只研究两种桥墩结构形式对行洪或通航水流条件的影响，未系统全面的对比分析不同桥墩结构形式对通航水流条件的影响。

桥梁结构形式往往根据通航、行洪、工程投资、交通组织、施工难度、景观打造、后期维护等因素确定，而城市跨河桥梁建设会重点考虑景观打造，宏伟气派是城市跨河桥梁一个重要元素，桥墩尺寸往往较大，若桥墩尺寸过大，对通航水流条件反而不利。因此，通过二维水流数学模型试验研究桥梁结构形式对通航水流条件的影响，能有效兼顾城市桥梁通航与景观打造，为桥型方案选择提供参考依据。

2 数值模拟

2.1 控制方程

平面二维的河道水流运动控制方程如下：

水流连续方程：

(1)

x方向的动量守恒方程：

(2)

y方向的动量守恒方程：

(3)

式中h为水深；u，v分别为x，y方向上的流速；t为时间；ρ为水的密度；E为涡粘系数；g为重力加速度；a为床面高程；n为曼宁系数；ζ为风应力系数；Va为风速；ψ为风向；w为地球自转角速度；φ为当地纬度。

2.2 工程概况

某新建桥梁位于岷江支流府河上，府河该段航道定位为改善城市景观、发展休闲旅游，规划为Ⅵ级航道，设计代表船型尺度为45.0 m×5.5 m×1.0 m(长×宽×设计吃水)。新建桥梁推荐桥型方案桥跨布置为3 m×25 m(小箱梁)+100 m(下承式钢桁架拱桥)+3 m×25 m(小箱梁)，主塔桥墩结构形式为方形墩，尺寸为9 m×12 m(长×宽)，通航孔为跨径100 m对应的孔；比较桥形方案通航孔主墩中心坐标及跨径与推荐方案一致，主墩桥墩结构形式为圆头墩，尺寸为10.3 m×3 m(长×宽)。

2.3 计算区域和网格设置

本模型计算河段长度约为1 900 m，计算进口距桥位约950 m，主要采用二次三角形六节点单元和二次四边形八节点单元对计算区域进行离散，四边形有限单元组成的计算网格计算稳定性较好，相同条件下较三角形有限单元网格数量少，但对复杂边界的适应性差；三角形有限单元适应性强，可随意加密计算节点，较准确的模拟复杂边界，在桥墩周围采用三角形有限单元局部加密，建桥后桥墩网格做不过水处理。

2.4 模型验证

根据实测工程河段水位、流速流向资料以及搜集对应的流量数据，同时，根据工程河段的洪调资料，对模型进行验证，率定出工程河段糙率在0.026～0.032。

2.5 计算边界条件

本研究是计算定场流的情况，所以在确定上下游边界条件时只需要上游来水流量和下游水位即可。工程河段为天然河道，根据工程河段航道等级以及水文资料，通航净空尺度控制工况为3年一遇，对应的边界条件为上游入口流量Q=1 070 m3/s，下游出口水位h=436.60 m。

2.6 测点布置

为研究不同墩型对通航水流条件的影响，依托某代表性桥梁工程实例，对与通航净宽相关的横向流速指标进行定量分析。在分别布置某桥梁推荐桥形、比较桥形方案主桥桥墩后，根据《内河通航标准》(GB 50139—2014)[6]条文说明5.2.1条和5.2.3条，在桥轴线上游3倍代表船形长度135 m范围内布设了154个测点(桥轴线方向测点间距均为10 m、水流方向测点间距约为10.4 m)，测点布置见图1。导出各测点的合成流速、与桥轴线法线方向的夹角，并计算出各测点的横向流速。

图1 通航水域范围内测点布置示意

3 计算成果分析

3.1 原方案计算成果分析

在规范规定的通航水域范围内，推荐桥形方案的最大平均横向流速为0.49 m/s，出现在测点98、109、120、131，推荐桥形方案横向流速较大导致通航净宽不满足要求；比较桥形方案最大平均横向流速为0.38 m/s，出现在测点109、120、131、142，比较桥形方案净宽能够满足要求。

推荐桥形方案横向流速较大的原因为水流流向与桥轴线法线方向存在5.6°的夹角，加上桥墩尺寸较大且迎水面为直角，导致桥墩附近出现明显水流绕流现象，水流在桥墩上游30 m范围内偏转，水流流向与桥轴线法线方向的夹角变大，导致横向流速也较大。由于桥位为规划桥位，桥轴线唯一，跨径由于其它因素无法加大，故优化方案考虑推荐方案桥墩迎水面采取倒圆弧的结构形式，半径分别为2 m、3 m、4 m，推荐方案桥墩结构优化示意见图2所示。

图2 推荐方案桥墩优化示意

3.2 优化方案计算成果分析

根据桥墩优化方案，在相同计算边界条件及参数下，导出不同墩型通航水域范围内各测点的合成流速、与桥轴线法线方向的夹角，计算各测点的横向流速，不同墩形各测点的流速、流向、横向流速对比示意见图3～5。

图3 优化方案各测点流速对比示意

图4 优化方案各测点流向对比示意

图5 优化方案各测点横向流速对比示意

3.3 不同墩型计算成果分析

为更进一步研究不同桥墩结构形式对通航水流条件的影响，对比较桥形方案圆头墩同宽度的片状墩、圆柱墩(见图6)的通航水流条件进行计算，计算成果见图7～9。

图7 不同墩型各测点流速对比示意

图6 不同桥墩结构形式示意(单位：m)

优化方案及其他墩型通航水流条件关键参数横流流速的对比分析见表1所示。

图8 不同墩型各测点流向对比示意

图9 不同墩型各测点横向流速对比示意

由表1可知，方头墩在采取倒角的优化措施后，最大平均横流出现的测点与优化前一致，各测点合成流速变化不大，倒角半径越大，桥轴线上游50 m范围内水流流向与桥轴线法线方向夹角有所减小，横向流速也相对应的有所减小。方头墩、倒角2 m、倒角3 m、倒角4 m上游3倍代表船型长度通航水域范围内最大平均横向流速分别为0.49 m/s、0.49 m/s、0.47 m/s、0.46 m/s。通过对方头墩进行倒角，不利于通航净宽计算的最大平均横向流速有所减小。

表1 不同墩型各测点横向流速对比

通过对比同宽度的片状墩、圆头墩、圆柱墩的通航水流条件，圆头墩最大平均横向流速最小，为0.38 m/s，圆柱墩、片状墩分别为0.40 m/s、0.42 m/s，表明圆头墩对通航水流条件的影响程度最小。总宽3 m的片状墩、圆头墩、圆柱墩对应的最大平均横流都小于宽12 m的方头墩对应的最大平均横流，表明桥墩越宽，对应的横向流速越大。

3.4 不同墩型通航水域流场分析

各墩型通航水域范围内横向流速等值线见图10～16所示。

图10 方形墩通航水域横向流速等值线示意

图11 方形墩(倒角2 m)通航水域横向流速等值线示意

由图10～16可以看出，各墩型在通航水域范围内横向流速分布总体变化不大，横向流速较大区域均出现在左岸桥墩附近，由此可见，桥区河段对通航不利的横向流速由桥墩附近水流绕流引起。

图12 方形墩(倒角3 m)通航水域横向流速等值线示意

图13 方形墩(倒角4 m)通航水域横向流速等值线示意

图14 片状墩通航水域横向流速等值线示意

图15 圆头墩通航水域横向流速等值线示意

图16 圆柱墩通航水域横向流速等值线示意

4 结语

1) 方头桥墩通过倒圆角优化方式可降低不利通航净宽尺度的横向流速值；桥墩尺寸越大，横向流速越大，对通航净宽尺度越不利；同宽度的圆头墩结构对应的通航水域范围内横向流速最小。

2) 过桥墩结构形式对通航水流条件的影响研究，可有效解决城市通航河流上桥梁通航与景观打造的矛盾，为桥梁建设方案提供了多样化的选择。