基于Flow3D的跨河桥墩局域流场影响特性研究

朱伟崇

(广东伟胜环境工程有限公司，广东 佛山 528308)

1 概 述

河道一方面提供了通航、水资源调度等多方面有利条件，但河道的存在对交通枢纽也是一种限制[1-2]，因而跨河交替桥梁应运而生。其中，起着关键作用的即为桥墩结构，特别是涉水桥墩，有效保障了江面桥梁的安全运营。当桥墩涉水，其对河道三维流场影响不可忽视[3-4]，同时给河道整治、清淤治理等带来影响，因此针对性研究涉水桥墩周身流场特征，有助于推动水利河道运营设计。

王浩等[5]、陈铭等[6]通过对实际工程分析，基于室内河道模型的桥墩模拟，开展涉水桥墩周身流场分析，探讨室内物理模型试验下桥墩周身流速、冲刷、水沙演变等特征，为水利、交通河道运营提供依据。纪立军[7]、陈灿明等[8]通过在桥墩底部或河床等位置安装传感器监测，探讨墩身结构受水动力冲击影响下渗流场、静力与动力结构稳定性，可为工程运营及时预警。当然，也可通过三维流场计算方法，计算分析流场影响特性。丁安娜[9]、陈成林[10]、张曙光等[11]采用Fluent、Flow3D等模拟计算软件，研究了涉水桥墩与跨河桥墩在静、动水作用下，其周身渗流场影响变化特性。

本文基于佛山东平河大桥涉水桥墩工程分析，采用Flow3D开展其墩身流场受挟沙水流容重、上游来水流速影响变化的分析和计算，为工程运营及加固设计等提供参考。

2 工程模拟分析

2.1 工程概况

作为佛山地区重要防洪工程，佛山东平河联圩工程是地区内重要控水、排涝的综合性水利枢纽，其建设长度从佛山市北江辖段直至东平河出流段，控制流域面积超过500 km2，干堤总长超过30 km，是佛山、中山地区中顺大围的重要组成部分。

中顺大围枢纽工程始建于20世纪50年代，干堤总长度超过120 km，包括小榄围、均安围等小型联圩工程，从佛山均安镇金沙滩至中山市东河水闸沿线，其堤防主体为佛山东平河联圩工程。干堤顶最高处为8.5 m，设计桩号为K0+0.000～K48+630，堤防高程分布为3.5～8.5 m，最高处位于东河水闸所在堤段，迎、背水侧坡度分别为1/3、1/2.25，堤面宽度经过一、二期联圩工程加固后，目前可通行两车道，宽度约为6～7 m，全堤段均按照50年一遇洪水设计。

根据对东平河联圩工程所在堤段分析可知，该地区堤防工程采用分层堆筑形式，堆筑料以砂土、粉土为主，图1为该联圩工程K6+355处北侧堤防剖面示意图。该堤段堤防由于位于城区，因而其堤顶进行了粉质砂土加筑，加高后堤顶高程为6.2 m，堆筑料中沉降变形较大属粉土与细砾石，且细砾石含水量较高，渗透系数较大。低液限粉土采用石灰改性剂的物化改良方法，部分堤段粉土抗剪强度提升40%～60%，有效确保了堤防岸坡安全稳定性。

图1 K6+355处北侧堤防剖面

东平河联圩工程为重要水利工程，同时也承担着佛山地区重要交通枢纽功能。所建设的东平河大桥横贯在联圩工程两侧堤防，跨度超过40 m，设计有四车道，桥面高出河道常态水位12 m。采用桥墩支撑结构形式，整个跨度内共有8根桥墩，每根桥墩直径均为1.8 m，采用预应力锚索结构与上部桥身加固连接。检测结果表明，桥墩运营期内，静、动力场稳定性均较好。

目前，由于考虑下游中顺大围联圩枢纽工程防洪能力，东平河整个河道内不仅堤防需要进行加固，且需对部分河道进行清淤治理，减少下游防洪工程泥沙淤积、裹沙水流的冲刷影响。但由于东平河大桥所在河段K6+552～K6+620为重点清淤治理，特别是部分桥墩周身泥沙淤积、涡旋等影响，导致挟沙水流在区段内出现过量的动水剪应力，见图2。而且墩身两侧也会产生大、小尺度的涡流场(图3)，局部流场中能量的转换导致的消耗功作用在墩身，使墩体结构实质上受到“蠕变”的损耗作用。为此，联圩工程管理部门针对河道治理过程中的裹沙水流对桥墩流场影响开展分析，为河道治理及导流围堰设计提供依据。

图2 挟沙水流影响桥墩剪应力

图3 墩身涡漩流分布示意

2.2 建模设计

基于工程现状分析，以东平河大桥K6+580桩号处桥墩为研究对象，该墩体高度为12.5 m，全墩身均为钢混材料，预应力锚索距离墩顶为0.5 m，采用ANSYS建立该墩体几何模型，见图4。该模型中包括泥沙淤积河床、两侧堤防岸坡及桥墩，从原型复制比尺试验理论入手，本文模型均按照1/100比尺进行设定[12]，横向河段长度为6 m，宽为0.8 m，水深为1 m，墩体高度为0.8 m，直径为0.1 m，所施加的挟沙水流中泥沙粒径为0.2 mm，均匀分布在河道横向上。

图4 墩周几何模型

ANSYS所建立的几何模型导入至Flow3D流场数值化平台中[11,13]，采用嵌套网格划分方法对该墩体所在流场进行计算单元划分，图5(a)为划分后计算模型，模型X-Z正向分别为水流墩体横向、墩体自重应力方向及河道水流下游方向。建模后，共有网格单元125 632个、108 264个节点，X、Y向网格单元占比分别超过48%、50%。同时，计算模型按照墩体周围流场实际工况分别设定进、出口水流边界，分别设定在墩体Z向上游的3 m处、下游3 m处，模型顶、底部分别具有自由流运动与全向约束运动边界，边界条件设定见图5(b)。

图5 数值计算模型

从墩体流场影响因素分析可知，上游挟沙水流的物理状态及来水流速是关键。为此，本文在固定泥沙颗粒物理参数的前提下，探讨挟沙水流容重参数、入场流速对流场及墩体周身水沙演变影响。本文水体为液固二相模型，其中泥沙颗粒粒径分布在0.1～0.5 mm，其级配状态见图6，裹沙特征值为0.02，泥沙迁移系数设定为6，冲刷因子设定为0.05。计算方案以挟沙水流的容重参数为研究对象，设定挟沙容重分别为90、180、270、360 g/m3，并设定有清水对照方案；流速方案分别设定为0.3、0.45、0.6 m/s；计算工况设定流量为10 m3/s。基于桥墩周身挟沙水流运营建模分析，探讨墩体局域流场影响变化特征。

图6 泥沙颗粒级配

3 挟沙水流对局域流场影响

3.1 流速特征

为分析墩体周身流场特征，本文以墩体全身各特征点处流场特征参数开展分析，所分析的特征点分布见图7。

图7 墩周特征点分布

根据不同容重挟沙水流方案下计算分析，获得墩体周身流场内各特征点处流速变化特征，见图8。

图8 挟沙容重影响墩周特征点流速

从图8中可知，挟沙容重值愈大，则墩体周身流速水平愈低。以特征点L4为例，当挟沙水流为清水时，该点流速为1.02 m/s。而在容重值增长至90、270 g/m3后，该点相应的流速较之分别减少11.9%、47.8%。在特征点L4处，其流速水平随挟沙水流容重阶次90 g/m3变化，可引起流速平均损耗20.5%；而在特征点L1、L8处，流速平均损耗分别为20.6%、18%。从整体9个特征点的流速平均损耗来看，分布在16.7%～22.4%，最大损耗位于特征点L9处，而损耗较低为L1、L4、L6这3个特征点。分析表明，墩体周身流场内流速受挟沙容重参数影响各有差异，以迎水侧及墩体中心处流速受影响更敏感，即该区域内受挟沙水流冲刷影响最大。比较各方案下峰值流速可知，在挟沙水流90、180 g/m3方案中，峰值流速分别位于L4、L6特征点，量值分别为0.9、0.78 m/s。而挟沙水流容重较大时，如270、360 g/m3方案下，则峰值流速分别位于L3、L5、L8方案内，其流速值分布为0.48～0.58 m/s，流速水平最低均为特征点L9处。9个特征点中仅L9位于墩身，分析可知，在挟沙水流90 g/m3方案中，除L9特征点以外的8个特征点平均流速为0.83 m/s，而L9特征点与前者平均流速差幅为14.1%。当挟沙水流容重增大至270、360 g/m3后，相应的流速差幅分别为10.6%、8.2%，而在清水工况中有15.8%差幅。由此说明，挟沙水流容重值愈大，则墩体中流速与周身流速差幅愈小。

3.2 压强特征

根据流场模拟计算，获得挟沙水流容重对墩身各特征点处压强影响关系，见图9。

图9 挟沙容重影响墩周特征点压强

从图9中可知，当挟沙水流容重参数增大，则墩身静水压强愈大。在清水工况中，特征点L1处静压强为3.58 kPa，而挟沙水流容重每增大90 g/m3，则静压强平均增大51.1%；同理，在其他特征点L2～L9处，相应静压强的平均增幅分布为41%～47%。在同一挟沙水流方案中，静压强在各特征点中差幅较小，即墩身不同位置的静压强具有一致性，但当挟沙水流容重增大，则静压强的均衡性会打破。如在清水工况中，峰、谷静压强分别位于特征点L4、L9，两者压强值差幅为36.3%；而在挟沙水流90 g/m3中，峰、谷压强所在特征点与前者方案一致，而压强值差幅上升至40.5%；在挟沙水流360 g/m3中，虽墩身峰、谷压强所处位置未发生变化，但压强量值的差幅增大至45.8%。因而，可认为挟沙水流容重参数对墩身流场内峰、谷压强所在位置影响较小，仅影响其量值变化，且挟沙水流容重愈大，则峰、谷压强差距更大，墩身流场内静水压强的不均匀性加大了。

4 来水流速对局域流场影响

4.1 流速特征

当处于同一挟沙水流容重方案中，但上游来水流速发生变化时，则墩体周身流场也有影响。本文通过计算，获得不同来水流速下墩身流场影响特征，图10为不同流速方案中墩身特征点流速变化特征。

图10 来水流速影响墩周特征点流速

观察图10中流速变化可知，上游来水流速愈大，则墩身流场内流速愈高。在特征点L2处，来水流速0.3 m/s方案中，该点流速为0.37 m/s；而来水流速0.45、0.6 m/s中，同一点流速较前者分别增大46.5%、83.3%；在特征点L1～L9其他方案中，随上游来水流速0.15 m/s增长，特征点流速平均增长29.3%～45.9%。从流速变化特征分析可知，3个来水流速方案中，峰、谷流速均位于特征点L6、L9，即来水流速的变化不影响峰、谷流速所在特征点。另一方面，在来水流速0.3 m/s方案中，其峰、谷流速差幅为37.1%；而来水流速为0.45、0.6 m/s方案中，峰、谷流速差幅分别为36.9%、37.3%，表明上游来水流速增大，特征点峰、谷流速差幅保持接近。虽然来水流速增大，可提升墩身流场内动水势能，但由于墩身局域涡漩场影响，导致水力势能的转换过程中仍会消耗相应大量的耗散功，且耗散功是墩身流场中起决定性的能量[14-15]，故上游来水流速的变化，不引起峰、谷所在特征点的变化，也不改变峰、谷流速间差幅，主要影响集中在特征点上流速的量值水平。

4.2 压强特征

根据上游来水流速方案中墩身流场计算，可获得各特征点处静水压强受影响变化特性，见图11。

图11 来水流速影响墩周特征点压强

分析墩身特征点静压强可知，来水流速与之具有正相关关系。在来水流速0.3 m/s方案中，墩身各特征点平均压强为7.77 kPa；而来水流速0.45、0.6 m/s方案中，特征点平均压强较之分别增长46.7%、112.3%。当上游来水流速变化，则静压强峰、谷值所在特征点均有差异。如在来水流速0.3 m/s方案中，其压强峰、谷值分别位于特征点L5、L9；而在特征点0.45、0.6 m/s峰值压强特征点分别在L3、L8，表明上游来水流速变化，会影响墩身峰、谷压强分布位置。另一方面，在来水流速0.3 m/s方案中，峰、谷压强值差幅达35.6%。而随上游来水流速的增大，则墩身流场内特征点峰、谷压强的差幅增大，在来水流速0.45、0.6 m/s方案中，分别为40.2%、46.8%。分析认为，来水流速的增大，对墩身迎水侧冲刷影响，会导致局部的冲刷坑，进而影响流场内静压强分布，特别是以迎水侧L3、L5、L8特征点为典型高压强分布，3个方案中峰值压强也是在此3个特征点中“横跳”变化[16]。笔者猜测，即使来水流速愈大，但峰值压强仍位于迎水侧L3-L8的区段特征点上。综合分析可知，上游来水流速会影响墩身流场静压强峰、谷分布位置，但不会逃脱在迎水侧L3、L5、L8特征点上，且峰、谷压强值差幅也会随来水流速增大而变化。

5 结 论

1) 挟沙容重愈大，则墩身流速水平愈低，墩身9个特征点流速平均损耗分布在16.7%～22.4%；墩体L9特征点流速最低，且受挟沙容重削弱损耗最大；挟沙容重增大，峰值流速所在特征点从背水侧演变至迎水侧，且墩体流速较之墩周流速差幅减小。

2) 挟沙水流容重增大，墩身压强愈大，随容重阶次增长90 g/m3，特征点中静压强平均增幅分布为41%～51.1%；容重增大，墩身流场峰、谷压强特征点不会发生改变，但量值差距更大，墩身流场压强不均匀性增大。

3) 上游来水流速与墩身流速为正相关关系，随来水流速0.15 m/s增长，特征点流速平均增长29.3%～45.9%；上游来水流速不影响峰、谷流速分布位置，且峰、谷流速差幅保持接近。

4) 来水流速与静压强为正相关特性，且来水流速增大，峰、谷静压强分布位置有所差异，且差幅愈大，但峰值压强只会在L3、L5、L8特征点上变化，而谷值压强在L1、L4、L6点变化。