橋墩中軸線位置對河道流場的影響

(西藏大學農牧學院水利土木工程學院 西藏 林芝 860000)

橋墩中軸線位置對河道流場的影響

李松旌 趙素華

(西藏大學農牧學院水利土木工程學院 西藏 林芝 860000)

以西藏林芝市八一大橋為例，利用Fluent軟件對橋墩附近的流場進行模擬，研究橋墩中軸線位置對河道流場的影響，包括河道流場在橋墩作用下流速、動壓力及剪切應力的分布情況，在一定程度上為橋墩及河床的沖刷防護工作提供理論依據和數值參考。

林芝八一大橋;橋墩中軸線;河道流場;沖刷防護

1 引言

林芝八一大橋為S306線的起點段，是連接八一鎮兩岸的咽喉要道。大橋所在河段的河床寬淺不整，主要由鵝卵石夾雜少量粗粒土堆積而成，具有游蕩特征，灘槽模糊不清，主流搖擺不定。大橋建成后，墩周流場呈現復雜化，使大橋下面主流趨向于右岸，下游心灘上提，對下游河勢造成了嚴重影響[1]。合理地采取相應措施，能夠減弱河道對大橋的沖刷破壞，同時在一定程度上削弱大橋對其附近河床的不利影響。

2 林芝八一大橋

大橋長度483.9m，連接線長度365.925m，為，橋面寬度21m，路基寬度20m，橋面行車道寬16.5m，雙向四車道，兩側人行橫道各寬2.25米。上部結構為4-4 ×30m裝配式預應力小箱梁，下部采用樁柱式墩臺，摩擦樁基礎，設15墩2臺。

3 計算模型

計算模型采用明渠流動計算，其中橋墩直徑為1.51m，每排間距7.06m，河面寬取483.9m，河道計算長度為40m，河水流速取0.7m/s，水深取0.4m，不考慮風速的影響，工況參數詳見表1，Fluent分析結果詳見圖1-3。

表1 工況參數

圖1 流速局部放大圖

圖2 橋墩上的應力分布

圖3 河流底面的應力分布

4 計算結果分析

4.1橋墩附近的流場結構[2-3]

橋墩周圍產生墩前涌波、橋墩迎水面下降水流和漩渦的主要原因是由于橋墩對水流的壓縮和阻礙作用。橋墩迎水面下降水流、橋墩兩側集中水流所形成的馬蹄形旋渦、橋墩兩側邊界層分離所形成的尾流漩渦，均是旋渦復雜水流結構的體現。馬蹄形漩渦是產生橋墩周圍局部沖刷最直接的原因，其中心的負壓區導致河床表面原本靜止的泥沙表現出陣發性的隨機運動，攜河床表面泥沙至橋墩下游漩渦，通過其重復作用形成長長的沙脊。

4.2流速分布

從圖1可以看出：橋墩的設置致使迎水面水流發生壅塞效應,并隨著橋墩中軸線位置沿流向方向變化，橋墩迎水面的流速依次變小；橋墩兩側流速的等值面呈向外擴散趨勢，橋墩兩側約73°圓心角處流速為該橋墩流速最大值，之后出現邊界層分離現象，位置最靠上游側橋墩73°圓心角處流速最大，中間位置橋墩73°圓心角處流速最小；以橋墩下游側流速接近0的等值面為標準分析，最靠近上游側橋墩的面積最大，最靠近下游側橋墩的面積最小；雙排卡門渦街現象延伸到橋墩后方的距離，隨橋墩沿流向方向依次變短。

4.3動壓力分布

橋墩附近流場動壓力的分布與流速的分布極為相似，其主要原因是流速的平方與流場動壓力成正比[4]，如圖2所示。沿流向方向，各個橋墩迎水面動壓力依次變小；橋墩兩側的等值面呈擴散趨勢，約73°圓心角處為該橋墩動壓力最大值，位置最靠上游側橋墩73°圓心角處動壓力最大，中間位置橋墩73°圓心角處最小；橋墩正后方水流的尾流渦旋形成了低壓甚至負壓區，以此為標準分析，最靠近上游側的面積最大，最靠近下游側的面積最小，此區域的形成是馬蹄形漩渦及橋墩兩側邊界層分離共同作用的結果。

4.4河床剪切應力分布

由于剪切應力的大小、方向、作用點與橋墩受沖刷破壞程度密切相關，同時為明確橋梁水毀機理和橋墩不同位置所受沖刷破壞情況，應對橋墩在河床表面所受剪應力進行深入研究[4]。由圖3分析，以流向方向為基準，三個橋墩迎水面剪應力依次變小；橋墩兩側圓心角70-80°的冠狀地帶為該橋墩所受剪切應力的最大值，位置最靠上游側橋墩冠狀地帶剪應力最大，中間位置橋墩冠狀地帶剪應力最小；以橋墩后方剪應力接近0的等值面為標準分析，最靠近上游側橋墩的面積最大，最靠近下游側橋墩的面積最小。

5 沖刷防護

據以上分析，需對橋墩迎水面兩側圓心角約70-80°的冠狀地帶及河床采取防護措施，其中最靠上游側的橋墩及附近河床為重點防護對象。建議采用一下沖刷防護措施：

1.拋石防沖：設置反濾層，減弱泥沙顆粒在拋石孔隙內的淘刷作用。

2.護腳和沉箱防沖：削弱橋墩迎水面下降水流和馬蹄形渦流在水中攜沙的能力，防止其直接沖擊泥沙。

6 結語

林芝八一大橋地處高海拔、低氣壓的大環境之下，給橋墩和河床的沖刷防護提供了一個新的研究平臺。本文基于現有的理論知識和現有條件展開研究，具有一定的局限性，局部沖刷坑會對墩周流場結構特性、主要防護部位及其防護措施的選擇帶來一定程度的影響，本文尚未對此考慮。在相關能力提升后，可將沖刷坑形成并擴大時墩周流場結構特性作為研究內容。

[1]宗永臣.分形下的河道演變初探——以尼洋河為例[A].水資源與水工程學報，2011，22（5）：92-95.

[2]高東光.公路與橋梁水毀防治技術[M].北京:人民交通出版社,2002.

[3]蔣煥章.公路水文勘測設計與水毀防治[M].北京:人民交通出版社,2002.

[4]王慶珍.圓柱形橋墩附近三維流場分析研究[A].公路交通技術,2008,(2):41-50.

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1007-6344（2017）06-0024-01