基于三维水动力模型桥梁附着式防撞设施壅水数值研究

施晓欢

(上海诺山工程设计咨询有限公司，上海 200333)

1 概述

上海市地处平原河网地区，内河航道以受潮汐影响的感潮航道和水面狭窄且对船舶航行有明显限制作用的闸控航道为主，总里程近2100km，其水运交通对上海城市建设和发展发挥着重要作用。全市内河航道上现有跨河设施(含桥梁、管线)3700余座(条)，其中跨河桥梁3100余座，平均每隔560m就有1座。其中大部为城区内跨中小航道的桥梁。

随着近年航道条件的改善，上海市内河通航船舶日趋大型化，给跨航道桥梁带来的安全风险与日俱增。为消除安全隐患，扎实推进安全生产治理体系现代化，2021年上海市交通委员会开展内河航道船舶碰撞桥梁隐患治理行动，其中为现状桥梁设置防撞设施为该治理行动的重要组成部分。

经调查，上海内河跨航道桥梁现状已建的防撞设施型式主要为独立式防撞墩和附着式防撞设施，其中附着式防撞设施较为常用，其安装于桥墩内侧，因此增加桥墩阻水面积，占用河道过流断面，加大墩前壅水高度。目前对雍水计算的方法主要有公式法和数学模型有限元计算法，大型项目需要采用物理模型试验。然而公式法主要为经验公式，存在一定的局限性；中小型项目资金受限，难以实施大规模的物模试验。故基于三维水动力模型的数值模拟方法应用日益广泛。

本文基于k-omega湍流模型，针对上海市某闸控航道桥梁桥区水域建立三维数值模型，采用VOF方法模拟自由表面，分析桥梁现状及不同型式的防撞设施所产生的壅水高度，为新建附着式防撞设施涉河影响论证提供参考。

2 工程概况

2.1 桥梁概况

由于上海市内河航道中小桥梁占全市航道桥梁比重较大，故中小桥梁桥墩布设防撞设施对河道行洪影响分析具有一定的研究意义，本次选取上海市某中桥进行分析。该桥梁三跨过河，桥梁总长40m，跨径组合(12+16+12)m，通航孔净宽14.2m，桥面总宽为30.6m。桥梁上部结构为钢筋砼空心板梁，下部结构为盖梁柱式墩。桥梁结构尺寸如图1所示(尺寸单位为mm、高程为上海吴淞高程系，下同)。

图1 桥梁结构图

2.2 航道概况

2.3 拟建防撞设施

根据DG/TJ 08—2116—2020《内河航道工程设计标准》12.2.3条，在计算桥墩紊流宽度公式中，针对桥墩的不同形状分别采用各自的形状系数参与计算，其列取了圆头、方头、尖头等。故本文分析选取圆头、方头和尖头防撞设施分别研究形状对壅水高度的影响。

拟建防撞设施采用附着式，布置于通航孔桥墩承台四周，采用固定式复合材料。该复合材料主要由纤维复合材料外面层壳体、腹板增强纤维复合材料空间格构体和增强聚氨酯弹性填充材料体组成，防撞设施最小厚度30cm。平面布置如图2所示。

图2 附着式防撞设施布置图

3 数值计算模型

3.1 控制方程

本次采用标准κ-ω模型，其是一种基于湍流能量方程和扩散速率方程的经验模型，考虑了低雷诺数、可压缩性和剪切流传播，可以很好地处理近壁处低雷诺数的数值计算。标准κ-ω模型的湍动能及其比耗散率输运方程为:

(1)

式中，Gk—由层流速度梯度产生的湍流动能;Gω—由ω方程产生的湍流动能;Tk、Tω—k和ω的扩散率;Yk、Yω—由扩散而产生的湍流。

3.2 体积函数法

本次对自由液面的模拟采用体积函数法(VOF)。在水气两相流计算中，对于单一网格计算单元，令aW为水的体积分数，则有：

aW=VW/VC

(2)

式中，VW—水的体积；VC—网格单元的体积。当aW=1或aW=0时，表示计算单元内全为空气或者水，当0

(3)

对于计算单元中的其他参数，可以根据下式进一步求解，下标W表示水，A表示空气：

（2）完善专业技术人员职称评审制度。建立激励创新和科技成果转化的职称评审导向，在高新技术企业、大型骨干企业中开展职称自主评价试点。开通优秀人才职称评审“直通车”，对高层次人才、成果显著的优秀中青年专业技术人才制定相应的破格条件。

φ=aWφW+(1+aW)φA

(4)

式中，φ—网格内其他参数，如密度、分子黏性系数等。

3.3 模型网格划分

本次模拟桥区水域，简化后的尺寸为120m(长)×30m(宽)，桥墩顺水流方向布置，与航道及水流方向平行。计算区域采用六面体和四面体网格剖分，并于河底、桥墩边壁附近加密网格，以提高自由表面的分辨精度和桥墩附近流场的模拟精度，桥区水域网格数量为2.65e+5，节点个数为5.13e+4。模型及网格划分如图3—4所示。

图3 几何模型

图4 网格划分俯视图

3.4 边界条件

河道上游入口：流速v=0.5m/s(闸控航道，流速可控)，水位H1=2.80m；河道下游出口：水位H2=2.80m；四周边壁及桥墩采用无滑移壁面。计算区域初始化：从河道入口开始计算。边界条件如图5所示。

图5 边界条件示意图

4 模拟结果及分析

4.1 防撞设施形状对流态分布的影响分析

如图6所示为无设施、圆头、方头、尖头4种防撞设施工况下河道近表面横向流速云图及矢量图，流速增加及墩前缓流宽度统计表见表1。

图6 近表面横向流速云图及矢量图

表1 流速增加及墩前缓流宽度统计表

承台前的河道内流体速度稳定，各速度矢量相互平行且均匀，经过桥梁位置时，由于承台及防撞设施缩窄了河道过流断面，阻挡并改变了原纵向水流方向，使得水流向承台两侧扩散，同时使得承台两侧流速增加，根据图6和表1中承台迎水面流速分布，圆头防撞设施工况较无设施工况流速变化不明显，两种工况均增加0.12m/s；方头防撞设施工况承台两侧流速最大，达到0.71m/s；由于尖头防撞设施水流排导效果较好，流速增加最小，较河道正常流速增加0.1m/s。根据图6和表1承台前缓流区宽度分布，4种工况下阻水影响：方头>圆头>无设施>尖头。

4.2 防撞设施形状对壅高分布的影响分析

如图7所示为无设施、圆头、方头、尖头4种防撞设施工况下承台前壅高分布云图，4种工况下承台中心位置壅高水面线如图8所示。

图7 承台前壅高分布图

图8 四种工况下承台中心位置壅高水面线

其中方头防撞设施前端壅高最大，达到0.142m；无设施工况和圆头防撞设施工况，此2工况端头形状一致，均为圆形，圆头防撞设施工况相较现状承台变化主要为两侧增加30cm的厚度，此两工况壅高分别为0.128、0.130m，较为接近，且承台前壅高曲线分布也相似，圆头防撞设施工况壅高整体略高于无设施工况；尖头防撞设施前端壅高最小，为0.088m，约为方头防撞设施最大壅高的0.6倍，水流排导效果最好。

承台前不同位置的水面壅高结果见表2。4种工况综合来看，距承台0.5m水面壅高普遍降至0.03m，承台前2m之后水面壅高均能降至0.001m，可见承台前整体壅水长度较短。其中尖头防撞设施工况壅水长度最小，壅水长度(>0.001m)约2.0m；无设施、圆头防撞设施、方头防撞设施工况壅水长度较为接近，壅水长度(>0.001m)均为2.5m。

表2 4种工况下承台前不同位置壅水计算值

4.3 防撞设施厚度对壅高分布的影响分析

根据上文防撞设施形状对流态分布和壅高分布的影响分析，拟优先选用尖头防撞设施。但由于抗撞性能的要求。防撞设施厚度会适当调整，上海地区中小河道防撞设施厚度30～60cm不等，故本次分别选用30、40、50、60cm 4种不同厚度的防撞设施分析厚度对壅高分布的影响。

防撞设施不同厚度工况下承台前壅高分布云图如图9所示，不同厚度工况下承台中心位置壅高水面线如图10所示。各工况下承台前壅高水面线水位统计值见表3。

表3 防撞设施不同厚度工况下承台前不同位置壅水计算值

图9 防撞设施不同厚度工况下承台前壅高分布图

图10 防撞设施不同厚度工况下承台中心位置壅高水面线

随着防撞设施厚度增加，承台位置阻水宽度相应增大，壅水加高。30、40、50、60cm厚度工况下最大壅高分别为0.088、0.095、0.106、0.110m，每增加10cm厚度，壅高增加0.004～0.011m。距承台越远，各工况下壅高差距越小，最终水面线趋于重合。距承台距离2m之后，各工况壅水高度均降至0.001m以下，整体壅水长度较短。

5 结语

本文介绍了水动力数学模型的原理，通过有限元计算现状桥墩承台前壅水高度，并对设置等厚不同形状防撞设施后流态和壅高进行了分析，随后基于分析结果，选取最优方案，并验算不同厚度防撞设施对承台前壅高的影响，得出以下结论。

(1)新建附着式防撞设施安装于承台两侧，占用河道过流断面，增加承台前壅水高度。

(2)方头防撞设施前端壅高最大，其次是圆头和无设施工况，尖头防撞设施壅高最小，说明其水流排导效果最好。

(3)无设施工况和圆头防撞设施工况，此两工况端头形状一致，均为圆形，圆头防撞设施工况相较现状承台变化主要为两侧增加30cm的厚度，此两工况流态分布及壅高曲线均较为接近，距承台不同距离的水位壅高相差不大，说明端头形状为影响壅高的主要因素。

(4)尖头防撞设施不同厚度工况下，承台前水位壅高与防撞设施厚度正相关。且距承台越远，各工况下壅高差值越小，最终水面线趋于重合。

(5)建议防撞设施设计单位应考虑防撞效果和防汛影响之间的关系，综合考虑防撞设施型式和厚度的选择。

(6)本文未考虑风速等影响因素，墩前实际壅高与风速，波浪等均有关系，由于有限元计算与实际情况差异，其壅水计算值建议作为参考。