桥梁近床面开圆孔墩柱的局部冲刷防护效果研究

赵谙笛，康文刚，孙鹏翔

（新疆建设职业技术学院，新疆乌鲁木齐 830054）

0 引言

当前，国内外学者已对墩柱遭水流冲刷破坏的现象提出了多种防护方法，常见的防护措施有抛石防护法、扩大基础法、减冲桩防护等，每种防护措施各具优缺点。本文利用计算流体软件FLOW3D 模拟了光圆墩柱、开圆孔墩柱周围的泥沙运动情况，对比分析了两者在定床条件下、均匀来流中，墩柱前、后冲深值的实时变化状况及冲刷坑范围的改变情况，证明了墩柱开圆孔具有良好的局部冲刷防护效果，为拓展墩柱局部冲刷防护方法的研究工作奠定了理论基础。

1 模型验证

1.1 模型建立

为验证泥沙模型的准确性，需要设置验证组进行参照和对比；本试验在验证组可靠的基础上，进一步开展墩柱开圆形孔对局部冲刷深度和冲刷坑范围影响的研究，以确保论证结果的有效性。现列出本文所有算例，如表1所示。

表1 动床模拟试验组别

其中，Test1 为验证组。验证组采用Roulund[1]于2005 年已完成的墩柱周围局部冲刷物理试验，数值模型中选取的细微参数力求与物理试验所用的宏观参数一致，其他主要参数的选定为：水深h为40cm，平均来流流速V为46cm/s，墩柱直径D为10cm，泥沙中值粒径d50 为0.26mm，泥沙休止角￠为32°，泥沙密度为2.65g/cm3。

由“珠江黄埔大桥桥墩冲刷局部动床模型试验研究”[2]中的实测数据可以看出，墩柱前侧的冲刷宽度最大值为冲深值的2倍；左右两侧墩柱的冲刷宽度约为冲深值的5 倍，扣除墩柱直径D，考虑留有模拟富余情况，Test2中模型沙的尺寸为长×宽×厚=4D×8D×35cm。

1.2 验证结果讨论

现有研究表明，冲刷深度随时间的推移而发展，墩前后2 倍墩径范围内冲刷较明显，横断面冲刷约在4倍墩径范围内[3]。墩前冲刷深度始于马蹄形涡流和下降水流，且墩前冲深大于墩后。随着马蹄形涡流和下降水流强度的减弱，冲刷深度的发展速度逐渐减小，直至床面达到冲淤平衡，此时的冲刷坑深度称为平衡冲刷深度。冲刷深度经过与Roulund 的测量试验结果对比，可知：墩前局部冲刷深度和趋势大致相同，墩后模拟精度与实测值有所偏差。当x/D∈-2D—2D范围内，冲刷深度较明显，墩后冲刷深度值与实测值偏差较大，冲刷值也低，且易达到冲刷平衡。

因泥沙运动极为复杂，目前国内外对泥沙的研究还尚未成熟，多数公式尚属于半经验半理论公式；数值模拟中泥沙模型的铺设、悬沙浓度的选取均与验证组物理试验的实际值有差别；软件中泥沙紊动模型的局限性以及网格划分所致截取计算数据的限制性，导致验证组墩后数值模拟结果出现偏差。但Test2 和Test3均属匀质定床模拟，可消除悬移质的影响，数值模拟结果将更趋近于物理试验结果。加之二者属于同等条件下的数值模拟对比组，其对比结果不影响本次研究的结论。

2 开圆孔、不开孔墩柱局部冲刷模型建立

由验证组Test1 的模拟结果可知，验证组结果能满足泥沙运动研究的准确性，说明泥沙模型中边界条件的选取、物理参数的确定以及网格划分较合理。Test2中泥沙模型的主要参数选择，在Test1 的基础上稍作改变：墩柱周围垂直面上边界层厚度为40cm，泥沙沉降速度W为0.12cm/s。河床泥沙的起动流速V0为0.351m/s[4]，墩柱局部冲刷的始冲流速为0.116m/s。因为平均来流流速V为0.326 m/s，大于墩柱局部冲刷的始冲流速且小于河床泥沙的起动流速V0，可知在计算条件下，河床泥沙未发生起动，属定床冲刷。

3 计算结果对比分析

最大冲深、冲刷坑范围与达到相同冲深所需时间是评定局部冲刷严重程度的三大主要因素。本文主要研究在相同条件下，与光圆墩柱相比，墩柱近床面开圆形孔后，墩前后最大冲刷深度的实时变化以及墩周冲刷坑范围发展形态的改变状况，以证明墩柱开圆孔作为局部冲刷防护措施的有效性。

3.1 墩前最大冲深随时间的变化

墩前最大冲深值h随时间t的改变图示，如图1所示。

图1 开孔、不开孔墩前最大冲深随t的变化

图1中，虚线为不开孔墩墩前最大冲刷深度随时间的改变。由图1 可知，墩前冲深在35s 之前呈逐渐上升趋势，其后持续很长一段时间内，在略低于最大冲刷平衡深度位置波动着发展下去。本组模型属大尺度模拟，相对水深较大。考虑水深对冲刷的影响受到墩宽的制约，研究人员在“大桥施工平台桩腿局部冲刷”的试验中做了几组大水深的资料，整理出局部冲刷深度（hb）与相对水深（h/b）的关系图。当h/b=2.5，v=32.6 cm/s 时，按此关系图，对应的局部冲刷深度（hb）约为13.20cm。本次模拟墩前最大冲刷深度为13.10cm，与经验值极为接近。

对于定床（清水）冲刷，行进流速与泥沙起动流速的比值（v/v0）越接近于1.0，达到冲刷平衡所需要时间越长[5]。图中两条曲线结果与理论阐述遥相呼应：局部冲刷开始后很长一段时间，冲深在略低于最大冲刷平衡深度位置波动着发展直至平衡。

墩前近床处有马蹄形涡流存在，产生原因是下降水流与河槽水流方向相互影响结合后，沿结构物周围形成三维涡带，因涡带状如马蹄，又称为马蹄形涡流，墩前水流竖向断面下降水流趋势明显，墩后流动稳定性差，湍流动能较大；采取开孔措施后，墩前马蹄形涡流消失，下降水流也有所削减，墩后流速方向整体比较平稳，水流流动稳定性较好，湍流动能小。近床面墩柱开孔后，墩前马蹄形涡流势必有所减小或消除，墩前竖向流速将显著降低并削弱墩后湍流能量。由此推测，开孔后墩前最大冲深也将降低。

图1中，实线为墩柱底部开孔后，墩前最大冲刷深度随时间的变化曲线。与虚线对比可知：二者达到冲刷平衡所需时间相差无几，但开孔后，冲刷深度随时间变化增加缓慢，尤其是运行17s 后，冲刷深度随时间变化微小，处于稳定状态。此刻对应的墩前冲深值和平衡冲深值极为接近，而圆墩柱冲刷深度于冲刷中期仍有迅速上升的趋势。

定床模型（纯水流）试验条件下，墩柱绕流时，水流垂直方向的流速分布从水面向下逐渐递减，速度水头也由上向下递减。据能量平衡原理，压力水头向下增大，位置水头向下递减，墩柱迎水面会因压力梯度的改变形成一股强劲的下降水流，此水流对墩柱周围局部冲刷的影响很大。近床面开孔后，墩前迎水面中心处竖向水流速度明显降低。由大量文献资料可知，墩柱周围最大冲深往往发生在墩前迎水面中心处。同时，冲刷深度产生的主要因素之一为下冲水流，尤其是近床面位置处的下冲水流。因此，动床模型试验中，墩柱开孔后墩前最大冲深值也将大幅度降低：墩前因下降水流的存在，冲深较大，最高可达13.1cm，开孔后最大冲深值为8.6cm，降低了34.35%。由此可知，墩柱近床面开圆孔能大幅度降低墩前河床最大冲深值，确保墩台基础的安全。

3.2 墩后最大冲深值随时间的变化

墩后最大冲深值h随时间t的改变见图2。

图2 开孔、不开孔墩后最大冲深随t的变化

图2中，实线与虚线分别表示开孔、不开孔墩柱墩后最大冲深随时间的变曲线。冲刷起始阶段，开孔墩墩后冲深较大，其原因为孔内水流保有与初始流速接近的速度，当孔前水流保持近初始流速穿过圆孔时，表现为较大流速，受压力影响产生下降水流，此下降水流又与尾流、涡流相互干扰产生其他涡流系统，增大了开孔出口附近水流的紊动强度，进而产生较大冲深；无孔墩纵向对称中线线处，因墩柱的阻隔，水流将发生绕流现象，因此，无孔墩柱纵向中心线处的冲刷并不明显。随冲刷过程的发展，开孔墩墩后的尾流涡流和马蹄形涡流发生紊乱，水流强度有所削弱。因此，开孔墩墩后的最大冲深值低于不开孔墩。以冲深值作为分析依据，实施开孔措施后，墩后最大冲深由8.69cm降至6.16cm，降低了29.11%。

3.3 墩周冲刷范围

分析局部冲刷达到平衡时墩周冲刷坑的地形状况是本文的主要工作之一。圆柱墩墩前因下降水流的存在，冲深远大于墩后。与此同时，尾迹涡流系统产生的低压中心可将墩后泥沙颗粒带起，导致圆柱墩墩后冲刷范围大于墩前；墩前远离墩柱处出现冲刷系水流经非泥沙模块过渡至泥沙模块，系边界条件发生改变产生的冲刷。经模拟数据结果分析可知，圆柱墩的冲刷范围及深度远大于墩柱底部开3孔后墩周局部冲刷程度，说明光圆墩柱的冲刷坑体积远大于圆形开孔墩的冲刷坑体积。

综上分析，开孔措施能较大程度减少局部冲刷的范围与冲刷深度，说明了近床面墩柱开圆孔局部冲刷防护的有效性。

4 结论

（1）本研究利用FLOW3D 中的水动力泥沙输移模型，建立了三维流场冲刷数学模型，模拟了稳定流中光圆墩柱置于一定厚度的泥沙之中，其周围流体的运动特点及墩柱周围的局部冲刷形态，并将模拟结果与Roulund 于2005 年已完成的墩柱周围局部冲刷物理试验结果进行对比验证。验证组结果能够满足泥沙运动研究的准确度，表明本泥沙模型中边界条件的选取、物理参数的确定以及网格划分的合理性。

（2）本研究模拟并对比分析了光圆墩柱、开圆孔墩柱在定床条件下、均匀来流中，墩柱前、后冲深值的实时变化状况以及冲刷坑范围的改变情况，发现开孔能够有效降低最大冲深并减少冲刷坑范围，起到防冲的作用，从而证明了墩柱开圆孔具有良好的局部冲刷防护效果。