桥墩局部冲刷机理研究进展综述

2020-12-23产华东魏松张英杰龙庆焦浩然合肥工业大学土木与水利工程学院安徽合肥230009

安徽建筑 2020年7期

产华东，魏松，张英杰，龙庆，焦浩然（合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽合肥 230009）

作为交通运输线中的重要组成部分，桥梁的建设在不断改善着人民的生活，但同时地震、洪水、设计施工和基础防护不力等因素都易造成桥梁的失稳破坏，从而带来严重的损失。英国工程师D.W.Smith[1]对在 1847～1975 年间发生的143起桥梁事故原因进行统计分析，发现约50%的桥梁破坏是由洪水冲刷引起的；易仁彦[2]统计分析了我国21世纪以来15年间发生的179起桥梁破坏事故发生原因，发现有约32%是由洪水冲刷引起的。由此可以证明，洪水冲刷是导致桥梁破坏的主要原因之一。而多年的实际工程经验证明，局部冲刷是造成桥梁水毁的最主要因素。

因此，本文针对桥墩局部冲刷的研究进展进行了综述，主要包括有局部冲刷墩周水流结构、冲刷坑演变过程和影响因素3个方面，并通过总结现有研究存在问题，阐述发展趋势。

1 桥墩周围水流结构研究

桥下水流受到桥墩的阻碍和压缩作用，使得墩周水流结构发生急剧变化，目前国内外学者们对于墩周水流结构的研究普遍认为桥墩水流结构主要包括墩前下降水流、墩周马蹄形漩涡、墩侧边界分离层和墩后尾涡4个部分。Dargahi[3]在试验中采用氢气泡流动显示技术和热膜测量的方法对圆柱体周围的流场进行了测量，发现在圆柱上游的水流特征主要是三维边界层的分离，在柱体两侧分离区域内形成准周期性脱落的马蹄形漩涡，且涡的数量与雷诺数相关。严建科[4]在室内水槽试验中测量了墩周各测点流速，试验结果表明桥墩挤压水流形成绕流，边界层分离从而在墩两侧产生两个反向旋转的对称漩涡，接着涡漩拉长并逐渐脱离桥墩从而被主流带向下游。而凌建明[5]和王庆珍[6]应用流场分析软件FLUENT和VOF模型对局部冲刷时单圆柱桥墩附近流场进行模拟，结果表明上游来流一部分遇桥墩阻碍流速减到最小，另一部分绕流在墩两侧流速达到最大后出现边界层分离，之后在墩后方形成尾流漩涡，模拟结果与试验结果较为吻合。

关于引起桥墩局部冲刷的原因，众多研究成果表明只要为以下三种：①墩前下降水流的冲击；②桥墩漩涡体系的作用；③桥墩对桥下水流的压缩作用。Kwan[7]研究认为桥墩局部冲刷是由墩前下降水流和马蹄形漩涡共同作用导致的；Dargahi[3]通过试验研究冲刷坑的发展过程发现马蹄形漩涡、墩两侧的集中加速水流和下游的尾流漩涡是引起局部冲刷的主要原因；张显辉[8]则认为是由于桥墩对水流的压缩作用使得墩前下降水流和墩侧水流加速区的形成，而此两者的共同作用导致了马蹄形漩涡的形成，三者之间相互作用共同影响。

2 局部冲刷坑演变过程研究

当桥墩阻挡水流时，桥墩周围复杂的三维水流结构会导致墩周产生局部冲刷坑，对于桥墩局部冲刷坑演变过程的研究，赵凯[9]和向琪芪[10]也将冲刷坑的演变过程分为三个阶段：①起始阶段，冲刷坑发展迅速，其最大深度能达到最大平衡冲深的四分之三；②发展阶段，冲刷坑范围和深度仍在不断增大，但发展趋势较起始阶段有所减缓；③平衡阶段，冲刷坑发展极其缓慢，可认为冲刷坑几乎不再发展，达到平衡状态。

在国外，学者们对于局部冲刷演变的研究大多集中于冲刷深度随时间发展的计算预测的研究。Kothyari[11]通过室内试验研究了圆柱桥墩在均匀、非均匀和分层泥沙条件下局部冲刷深度随时间变化的规律。Melville和Chiew[12]开展了室内清水冲刷试验，研究了单圆柱桥墩在均匀沙河床中局部冲刷坑深度随时间的变化情况，基于实验数据提出了局部冲刷深度随时间发展的预测计算公式；Oliveto和Hager[13-14]研究了清水条件下桥墩、桥台局部冲刷深度在均匀沙和非均匀沙河床中的时间演化，建立了冲刷深度时间演变方程，并利用已有的文献进行了公式验证，之后又将该公式引入到丁坝的局部冲刷中。Lanca[15]开展了室内冲刷试验，研究了泥沙粗度（墩宽与泥沙中值粒径的比值）对平衡冲刷深度的影响，建立了局部冲深时间演变公式。

在国内，对于局部冲刷冲深随时间的演变计算的研究较少，较多的是对冲刷坑演变过程的定性研究。肖洋[16]利用超声波地形仪对清水冲刷试验中的墩周地形进行测量，该方法能够进行水下实时非接触动态测量，提高了结果的准确性，试验发现墩侧和墩前首先出现冲刷，之后墩后才逐渐发生冲刷，且墩前、墩侧冲刷坑较深。齐梅兰[17]则利用三维紊流和考虑悬移质和推移质运动的数值模拟技术研究了圆柱桥墩清水冲刷和动床冲刷下的冲刷坑演变过程中泥沙输运特征，研究发现悬移质和推移质输沙率在冲刷初期最大，且随着冲刷坑的发展而迅速减小。

3 局部冲刷影响因素研究

影响桥墩局部冲刷的因素众多，目前关于影响因素的研究主要归结为三大类：水流因素、泥沙因素和桥墩因素。

3.1 水流因素

桥墩局部冲刷中的行近流速是指桥墩上游来流断面的平均流速。当上游行近流速小于泥沙起动流速时，此时桥墩局部冲刷坑无上游来沙补给，称之为清水冲刷；当行近流速大于泥沙启动流速时，冲刷坑能够得到来沙补给，此时称之为动床冲刷。针对行近流速对桥墩局部冲刷的影响，学者们开展了众多的试验研究。“在清水冲刷条件下，局部冲刷的深度随行近流速的增大呈直线增长”的趋势的观点是目前国内外学者普遍认同的，而在动床冲刷条件下，研究者们却持有不同的观点。Dongol[18]认为在动床冲刷阶段，由于有上游来沙的补给，冲深随行近流速的增大反而减小，在减小至最小值时会会再次增大至另一个峰值；王顺意[27]通过模型试验研究动床条件下不同行近流速对冲刷坑深度和范围的影响，结果表明随着流速的增大，冲刷坑最大深度和范围也相应增大。

关于行近水深对桥墩局部冲刷的影响，目前研究者们仍存在一定的争议性，还没有统一的定论。王顺意[19]和Raudkiv[20]的试验研究表明局部冲刷最大深度随行近水深的增大而增大；Dey[21]认为：当行近水深较小时，局部冲刷最大深度随行近水深的增大而显著增大，但当行近水深增加至某一较大值后，最大深度与行近水深无关。

3.2 泥沙因素

关于泥沙粒径与桥墩局部冲刷的关系，目前还未有统一定论。Santos[22]等部分学者认为泥沙粒径大小对桥墩局部冲刷最大深度没有影响，而Gill[23]等学者则认为桥墩最大冲深与粒径大小存在相关性。Laursen[24]研究认为：床沙粒径在清水冲刷下对桥墩最大平衡冲深有影响，而在动床冲刷下对最大冲深无影响，这是由于在动床条件下冲刷处于平衡状态时，上游来沙补给量与冲刷坑内被冲走泥沙量相等，而粒径大小对冲刷平衡无影响。赵凯[9]采用3种不同粒径的床沙进行试验，结果表明粒径越小，泥沙越易起动，冲刷坑深度也越大，但当粒径小到一定程度时，由于泥沙间的粘性开始发挥作用，使得冲刷坑深度反而较小。

3.3 桥墩因素

研究表明，桥墩因素如墩长、墩宽（或直径）是研究桥墩局部冲刷的一个重要影响因素。韩敏[25]在冲刷试验中改变圆柱桥墩直径，结果表明在流量一定的情况下，直径越大其冲刷坑范围也就越大。在清水冲刷条件下，最大冲刷坑深度随桥墩直径的增大呈先增大后减小的趋势，而在动床冲刷条件下冲刷坑最大深度随直径的增大而增大；贠鹏[26]利用FLOW-3D软件对不同直径桥墩进行数值模拟，模拟结果亦表明在动床条件下冲刷坑深度随直径的增大而增大，且随着直径的增大其增长速率逐渐减小。