三維水流作用下啞鈴型圍堰周圍海床局部沖刷

段倫良,　王少華,　張啟博,　鄭東生

(西南交通大學土木工程學院, 四川 成都 610031)

局部沖刷是結構物擾動水流而引起漩渦沖蝕結構物周圍海床的一種水力學現象.沖刷會使河床下切、基底床沙被掏空,進而降低結構物基礎承載力.結構物因水流沖刷造成的破壞現象已屢見不鮮[1],不但給人民生命財產構成了威脅,而且也給國家造成了極大的經濟損失.因此,研究結構物周圍的局部沖刷非常必要.

近年來,國內外學者對流固土相互作用理論及局部沖刷均做了大量研究[2-13],目前對結構物周圍的局部沖刷機理及影響因素基本達成了共識.在沖刷機理方面,一般認為水流受到結構物的擾動作用會在結構物周圍產生漩渦,結構物周圍產生的漩渦會卷起泥沙,然后再由水流挾帶至下游,從而使得結構物周圍發生局部沖刷坑.局部沖刷坑的出現會進一步影響結構物周圍的流場特性,使得流場結構發生變化.隨著沖刷坑的發展,結構物周圍流速降低,水流挾沙能力減弱,當泥沙對水流的抗沖刷能力與被阻水流對床沙的侵蝕能力達到平衡時,沖刷完成,形成最終的沖刷坑.結構物周圍局部沖刷的影響因素主要包括河道形態、結構物大小與形狀、床沙特性及水流特性等.雖然以往對局部沖刷已做過大量研究,然而大部分研究主要針對橋墩、丁壩、管線、防波提等結構物,很少涉及圍堰.實際上,跨海橋梁在建設過程中多借助圍堰來進行承臺施工,圍堰作為一種大尺度結構物,必然會對周圍水流產生較大的擾動作用,進而導致其周圍產生局部沖刷現象,而圍堰周圍的局部沖刷可能會使圍堰本身發生傾斜,此外,圍堰周圍海床的沖刷也會對橋梁基礎及地基承載力構成威脅,因此研究圍堰周圍海床的局部沖刷對保證橋梁安全具有重要意義.為此,于長海等[14]基于嘉紹大橋施工采用的圓形圍堰研究了圍堰周圍的局部沖刷及糾偏方案;韓海騫等[15]研究了涌潮作用下圍堰周圍的局部沖坑形成過程、沖刷坑形態及最大沖刷深度;樊俊生[16]以蕪湖大橋為工程依托,研究了不同施工周期時的沖刷計算曲線,上述研究未考慮圍堰吃水深度對局部沖刷的影響.陳述[17]以天興洲大橋為工程背景,研究了圍堰下沉過程中局部沖刷坑形態隨入水深度的變化,主要針對水流作用下的圓截面圍堰,圍堰截面形狀相對簡單.據已有研究結果得知,結構幾何特征對海床局部沖刷影響較大,因此本文將以復雜截面形式的啞鈴型圍堰為研究對象,對其處于不同吃水深度時周圍海床的局部沖刷問題展開討論.

為研究三維水流作用下啞鈴型圍堰周圍的局部沖刷,借助CFD軟件Flow-3D建立海床沖刷模型,進一步探討了啞鈴型圍堰周圍流場的分布特點及周圍海床的局部沖刷形態,為跨海橋梁圍堰定位及基礎穩定性分析提供參考.

1　模型建立

基于CFD軟件Flow-3D進行數值建模,以RANS方程作為控制方程,采用速度入口法建立三維水流模型,同時利用VOF法捕捉自由液面.由于Flow-3D軟件采用了FAVOR網格處理技術,因此在控制方程中加入了面積分數與體積分數.對于不可壓縮三維水流模型,其控制方程為

(1)

(2)

(3)

(4)

式中:ux、uy、uz分別為x、y、z方向的速度;Ax、Ay、Az分別為x、y、z方向可流動的面積分數;VF為可流動的體積分數;ρ為流體密度;gx、gy、gz分別為x、y、z方向的重力加速度;fx、fy、fz分別為x、y、z方向的粘滯力加速度;t為時間.

由于本文主要研究結構物周圍的泥沙運動,因此選用RNGk-ε模型實現湍流封閉,引入面積參數和體積參數后的RNGk-ε方程為

PT+GT+DT-εT,

(5)

(6)

式中:kT為紊動能;εT為紊動耗散率;PT為速度梯度引起的湍動能k的產生項,默認取0;GT為由浮力所產生的紊動動能的產生項,對于不可壓縮流體,GT取值為0;C1=1.44;C2=1.92;C3=0.2;DT為紊動能擴散項;Dε為耗散率擴散項具體可由式(7)、(8)表示.

(7)

(8)

式中:vk=1.39;vε=1.39;R=1;ξ=0.

關于泥沙運動方程的描述參考文獻[18],控制方程包括推移質輸沙律方程和懸移質輸沙方程,具體表達式為

(9)

(10)

τ=0.5cρ(u12+u22+u32),

(11)

τcr=φ(rc-r)d,

(12)

式中:c為常系數,取值為0.19;u1、u2、u3分別為海床表面附近水平、垂向和橫向脈動流速;φ為臨界希爾茲參數;rc為泥沙容重;r為水的容重.

幾何輪廓如圖1所示,其中:u0為水流速度;dw為水深;hm為啞鈴型圍堰的吃水深度;hs為海床厚度;h為啞鈴型圍堰高度.

圖1　幾何輪廓Fig.1　Sketch of scour around a cofferdam

文中圍堰幾何尺寸參考某大橋橋臺施工所采用的啞鈴型圍堰,其具體幾何特征如圖2所示.

圖2　啞鈴型圍堰幾何尺寸Fig.2　Dimensions of the dumbbell-shaped steel suspending cofferdam

圖2中:L1為圍堰在垂直水流方向的尺寸;L2為圍堰在水流方向的尺寸;a為鋼護筒在水流方向的間距;b為鋼護筒在垂直水流方向的間距;r0為鋼護筒的半徑.

2　模型驗證

模型驗證部分主要包括:流動模型驗證與沖刷模型驗證,為驗證流動模型的正確性,將本文模型底面變為光滑床面,然后仿照Roulund等[19]試驗進行數值模擬,并將數值計算的流速斷面分布與Roulund等試驗結果作比較,比較結果如圖3所示,通過圖3可看出,本文數值結果與Roulund等試驗結果基本吻合,說明本文流動模型合理可靠.流動模型驗證過程中參數取值分別為:圓柱直徑dc1=0.536 m;dw=0.54 m;u0=0.33 m/s.

圖3　流速斷面對比Fig.3　Comparison of the velocity distributions

為驗證沖刷數值模型的合理性,將本文模型與Melville[20]單柱試驗的經典試驗結果進行對比.Melville試驗中:水槽長L=19 m;寬度W=45.6 cm;圓柱形橋墩直徑dc2=5.08 cm;泥沙平均粒徑d50=0.385 cm;u0=0.25 m/s;床面傾角θs=1/10 000.試驗模型平面布置如圖4所示.

在模型驗證過程中,首先將Melville 試驗結果中距離海床表面2 mm的橋墩周圍流線圖與本文數值結果進行對比,然后再將Melville 試驗結果中水流沖刷30 min時沖刷深度與本文模型結果對比.

圖4　試驗布置平面圖Fig.4　Layout of Melville’s experiment

圖5分別給出了距離海床表面2 mm處Melville 試驗結果中的流線圖及本文數值模型中的流速矢量圖.由圖5可以看出,在圓柱形橋墩的背側靠近中心線處均有漩渦產生,本文數值模擬結果中橋墩周圍的流場分布與Melville 沖刷試驗結果基本吻合.

(a) 本文數值模型中橋墩周圍流速矢量分布

(b) Melville 沖刷試驗中橋墩周圍的流線分布圖5　橋墩周圍流場分布Fig.5　Distribution of the flow field around the pier

沖刷時間為30 min時,Melville 試驗結果中的最大沖刷深度為4 cm,而本文數值模型計算得到的沖刷形態如圖6所示,其最大沖刷深度發生在橋墩側面80°左右,為4.3 cm.因此本文數值結果中最大沖深位置和最大沖刷深度均與Melville 試驗結果接近.進一步說明了本文沖刷模型計算結果可信度較高.

根據上述流動模型、沖刷模型的對比結果,可說明本文模型合理可靠,可為后續研究奠定基礎.

(a) 立面圖

(b) 軸側圖圖6　橋墩周圍沖刷形態Fig.6　Scour patterns around a bridge pier

3　啞鈴型圍堰周圍流場及沖刷研究

以往關于結構物周圍海床局部沖刷的研究,主要針對橋墩、橋臺、防波堤、管線等結構物,而關于圍堰周圍的沖刷研究相對較少.雖然局部沖刷原理類似,但結構物幾何特征對周圍海床沖刷影響較大.針對此現狀,以在建的某大橋承臺施工采用的啞鈴型圍堰為研究對象,并借助Flow-3D軟件建立了圍堰周圍海床的局部沖刷模型.首先分析了圍堰周圍流場的分布特征,然后分別討論了吃水深度及水流速度對圍堰周圍海床局部沖刷的影響.

基于Flow-3D軟件建立的啞鈴型圍堰周圍海床局部沖刷模型的幾何輪廓如圖7所示,其中左側設置為入流邊界,可以輸入流速,右側設置為出流邊界,通過控制出流處的水面高程來設置出流邊界,前后側均為對稱邊界,頂面設置為對稱邊界,底面設為壁面邊界.

圖7　圍堰周圍海床局部沖刷模型Fig.7　Profile of the scour model around the dumbbell-shaped steel suspending cofferdam

幾何模型建立完成后,基于Flow-3D軟件自帶的FAVOR網格處理技術進行網格劃分,并在啞鈴型圍堰周圍進行局部網格加密,為驗證網格分辨率,圖8給出了不同網格密度下(以網格總數N表示),沖刷時間為5 000 s時圍堰周圍的最大沖刷深度分布(u0=1.0 m/s).由圖8可以發現,網格總數在 840 000時,最大沖刷深度值基本穩定,說明采用的網格密度較合理(數值模型中網格總數為840 000).網格劃分過程中均采用方形網格,不同區域內網格尺寸不同,表1進一步給出了本文數值模型中網格尺寸在不同區域內的大小.

圖8　不同網格密度下圍堰周圍海床最大沖刷深度Fig.8　Maximum scour depths around the cofferdam with various mesh systems

沿x方向流場位置/m0～260260～400400～500網格尺寸/m2.00.52.0

本文在研究過程中如未特別說明,相關參數按表2取值

表2　數值案例所取參數Tab.2　Parameters used in numerical examples

3.1　啞鈴型圍堰周圍流場特征

結構物周圍流場的改變不但會影響作用于結構物本身的水動力荷載,也會影響周圍海床的局部沖刷,因此分析結構物周圍流場特征是研究結構物周圍海床局部沖刷的前提,本文將首先對啞鈴型圍堰周圍的流場分布特征展開探討.

通過數值測試發現,圍堰周圍海床的局部沖刷在70 min左右達到平衡,因此本文沖刷模型計算時間均設定為5 000 s.圖9、10分別給出了流速大小為2.0 m/s、吃水深度為12.88 m時圍堰及鋼護筒附近的流速矢量分布及其對應的流線分布,其中圖9(a)、10(a)為圍堰周圍流場分布的俯視圖(圖10(a))中流線相交是因為圖10(a)中具有不同高程的流線),圖9(b)、10(b)為鋼護筒周圍流場分布的俯視圖.

(a) 圍堰

(b) 鋼護筒圖9　圍堰及鋼護筒周圍流速矢量分布Fig.9　Velocity vector field around the dumbbell-shaped steel suspending cofferdam and the steel casings

由圖9得知:水流運動過程中受到圍堰的阻礙時,一部分水流會直接流向圍堰前方,然而直接流到圍堰前方的水流速度會減小;另一部分水流繞過圍堰向前繼續流動;流速在圍堰兩側75°～85°的地方最大.

從圖10(a)可以看出,在圍堰前方與后方均會有漩渦產生,然而圍堰后方漩渦較前方更加明顯,通過圖10(b)可以發現,鋼護筒周圍也有漩渦產生,但是前排鋼護筒的尾渦較后排尾渦更加突出,前排護筒對后排護筒的遮蔽效應影響了其周圍的流場分布.

(a) 圍堰

(b) 鋼護筒圖10　圍堰及鋼護筒周圍流線分布Fig.10　Streamlines around the dumbbell-shaped steel suspending cofferdam and the steel casings

3.2　吃水深度對圍堰周圍海床沖刷的影響

受地形、水文等條件影響,不同橋址處承臺的設計高程可能不同,即承臺施工過程中圍堰的吃水高度可能會發生變化.因此本文將對處于不同吃水深度的啞鈴型圍堰周圍的沖刷情況展開研究.

研究過程中,吃水深度分別取6.88、8.38、9.88、11.38、12.88、14.38、15.88 m,水流速度取2.0 m/s.圖11給出了沖刷5 000 s時啞鈴型圍堰吃水深度與最大沖刷深度的關系.

由圖11可以看出,隨著吃水深度增大,啞鈴型圍堰周圍海床的最大沖刷深度有所增大,但增量不劇烈.因此在圍堰標高設計過程中,吃水深度對圍堰周圍海床沖刷的影響為次要因素,應把關注重點放在吃水深度對圍堰所受水動力的影響.

3.3　不同流速下啞鈴型圍堰周圍海床沖刷形態

據以往研究得知,流速及結構物幾何特征均會對其周圍海床局部沖刷造成很大影響,因此本文將針對幾何特征復雜的啞鈴型圍堰,研究不同流速下其周圍的海床沖刷形態.

在研究過程中,流速分別取1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0 m/s,吃水深度取12.88 m.圖12給出了沖刷時間為5 000 s時,不同流速下啞鈴型圍堰周圍海床的最大沖刷深度.

圖13為不同流速下啞鈴型圍堰周圍海床沖刷形態的軸側圖.

由圖12、13可以看出:流速大小對圍堰周圍海床的局部沖刷影響顯著,最大沖刷深度隨流速增大而增大;沖刷坑平面形態近似啞鈴形,且圍堰周圍海床沖的沖刷影響范圍受流速影響較大;隨著離圍堰沿水流方向中心線距離的增加,沖刷深度先減小后增加,最大沖刷深度出現在距離圍堰沿水流方向中心線最近的鋼護筒附近.

圖11　不同吃水深度下圍堰周圍最大沖刷深度Fig.11　Variations in the maximum scour depth with the submerged depth of the cofferdam

圖12　不同流速下最大沖刷深度Fig.12　Maximum scour depth atvarious current velocities

以圍堰這類特殊結構為研究對象,研究了水流作用下圍堰周圍的沖刷形態,可為工程中分析圍堰的穩定性提供參考.然而實際海洋環境中波流、潮流等因素經常同時存在,涉及到的影響因素較多,關于復雜海洋環境下圍堰的局部沖刷現象,仍需要進一步探索.

(a) u0=1.0 m/s(b) u0=2.0 m/s(c) u0=3.0 m/s(d) u0=4.0 m/s圖13 不同流速下啞鈴型圍堰周圍海床沖刷形態立面圖Fig.13 Elevation of scour patterns around the dumbbell-shaped steel suspending cofferdam at various velocities

4　結　論

基于CFD軟件Flow-3D建立了三維水流作用下啞鈴型圍堰周圍海床的局部沖刷模型,并借助此模型分別研究了圍堰周圍流場的分布特征、吃水深度對局部沖刷影響及不同流速下海床沖刷形態,根據研究結果,得到如下結論:

(1) 所建立的數值模型與實驗數據吻合較好,可以為分析啞鈴型圍堰周圍海床局部沖刷奠定基礎.

(2) 由于圍堰與鋼護筒相互影響,圍堰與鋼護筒周圍流場分布均比較復雜;隨著流速增大,啞鈴型圍堰周圍海床的最大沖刷深度逐漸增大;沖刷深度最大值出現在距離圍堰中心線最近的鋼護筒附近.

(3) 沖刷坑平面形態與圍堰形狀類似,且沖刷影響范圍隨著流速增大而逐漸變大.