橋墩與下游潛壩局部沖刷相互影響研究

孫 賀，孟云祥，胡志毅，蔣 濤

西北農林科技大學水利與建筑工程學院，陜西 咸陽 712100

橋墩局部沖刷研究主要包括三個方面，即研究沖刷誘因機理（如研究橋墩周圍復雜渦系），研究局部沖刷平衡沖刷深度影響因素，預測沖刷坑演變過程和局部沖刷坑形態及深度，以指導工程實踐[1]。我國學者易仁彥等[2]統計分析了2000年至2014年在我國發生的179起非地震原因導致的橋梁坍塌事故的原因，發現運營期發生事故的情況最多（占59%），其中32.78%是因為洪水沖刷和侵蝕破壞了橋墩或橋臺基礎的穩定。

管大為等[3]對潛壩研究進展進行了整理分類，同時說明對于潛壩沖刷的數值模擬研究較少。田艷[4]以巨亭水電站為研究對象，利用數值模擬獲取過水斷面的相關參數，將結果與模型試驗進行對比，數值模擬與試驗結果符合。為了研究泥沙起動、輸移對沖刷的影響，程燁[5]進行了流場和沖刷的模擬，所得結果與實際工程較為符合。

目前相關規范中也尚未有針對跨河橋梁與潛壩間距的明確規定，因此針對橋墩與潛壩局部沖刷的研究極其重要。

1 研究方法

此次數值模擬以Wang等[6]所用的水槽試驗模型為原型，水槽模型試驗參數如表1所示，模型計算域范圍如圖1所示。計算域上、下游邊界以不干擾橋墩與潛壩上下游紊流發展為界，以兩側壁面邊界對圓柱繞流無影響為原則，取定計算域總長度為365cm，約76D（D為橋墩直徑）；寬度為44cm，約9D；高度為42cm，約8.75D。其中進口邊界位于橋墩上游222cm（46.25D）處，出口邊界位于橋墩下游143cm（以橋墩中心為基準）處，上下游河床均設置為動床，床沙層厚度為11cm（2.3D），橋墩邊壁至潛壩邊壁間的距離為L。

圖1 模型試驗布置圖

表1 Wang試驗模型相關參數

邊界條件設置如圖2所示，數值計算邊界條件如下：（1）進口采用速度進口（specified velocity），進口流速v=33.1cm/s；（2）出口采用壓力出口（specified pressure），控制下游尾水水位為15cm；（3）對于水槽邊壁、底部，因為水流的作用，不會使其變形或者產生位移，設置為墻壁（Wall)；（4）由于網格頂部觸及空氣，采用壓力邊界條件，邊界壓力為標準大氣壓強（specified pressure=0）。

圖2 邊界條件設置

2 數值模擬計算結果驗證

將數值模擬結果與Wang沖刷試驗資料進行比較分析，從水流流態及沖刷坑形態驗證兩方面驗證數值模擬的正確性。

2.1 水流流態驗證

將橋墩繞流沖刷數值模擬結果與Wang經典沖刷試驗橋墩所在橫剖面水面線進行對比，對比圖如圖3所示，試驗與數值模擬中，在橋墩兩側，水面均有由兩側向橋墩邊緣下傾的趨勢，這與試驗結果相一致。

圖3 橋墩中心橫剖面水面線圖對比圖（單位：m）

2.2 沖刷坑形態驗證

沖刷坑形態對比圖如圖4所示。由圖4對比Wang物理模型試驗觀測的橋墩前局部沖刷坑形態與數學模型計算結果發現，數值計算與物理模型試驗的沖坑形態吻合較好。沖刷坑的高程分布規律基本一致，計算所得的最大沖刷深度為5.5cm，位于橋墩迎流面兩側約45°范圍內。對比模型試驗最大沖刷深度為5.8cm，相對誤差為5%，最大沖刷深度對比驗證表如表2所示。

圖4 沖刷坑形態對比圖（單位：cm）

表2 最大沖刷深度對比驗證表 單位：cm

綜上所述，數學模型中的流場計算結果能較好地與文獻資料數據相吻合，得到了合理的數值解，能夠較好地反映出橋墩周圍局部沖刷的形態以及預測最大沖刷深度，故該數學模型的網格和數值方法能夠滿足數值計算要求。

3 不同工況下數值模擬結果分析

就不同橋墩與潛壩間距、潛壩高出河床面高度對橋墩與潛壩沖刷相互影響分別進行計算。參考相關研究的物理模型試驗工況結果，取水流流量為Q=22L/s進行清水沖刷計算，橋墩-潛壩間距為0、1D、2D、3D、4D、6D（潛壩高于河床3cm）和橋墩-潛壩間距為2D情況下，潛壩高于河床高度1.8cm、3.0cm、4.2cm作為工況對比，數學模型中的具體計算工況和參數如表3所示。

表3 數學模型試驗工況參數表

橋墩與潛壩最大局部沖刷深度與兩者間距的關系如圖5所示。由圖5可見，當L=0.7D時，橋墩與潛壩的最大沖刷深度基本相等，此時可認為既考慮了橋墩周圍沖刷防護作用，又兼顧了潛壩的防護作用。

圖5 橋墩與潛壩最大局部沖刷深度隨兩者間距的變化規律

4 潛壩高度對沖刷規律的影響

不同壩高橋墩沖刷坑最大沖刷深度歷時曲線如圖6所示。從圖6可以看出，隨著橋墩下游潛壩露出河床面高度的增加，橋墩周圍的局部沖刷減小，這是因為增加壩高壩前壅水增高，減小了橋墩周圍局部水面比降，降低了橋墩附近流速，從而使橋墩周圍沖刷減小。另外值得注意的是，隨著壩高的增加，橋墩沖刷坑后方的沙脊更加明顯，這是由于潛壩對橋墩繞流尾渦交替脫落的干擾引起的，壩高越高，隔流阻斷作用更強。

圖6 不同壩高橋墩沖刷坑最大沖刷深度歷時曲線

不同壩高潛壩下游沖刷坑最大沖刷深度歷時曲線如圖7所示。從圖7可以看出，隨著橋墩下游潛壩露出河床面高度的增加，潛壩下游局部沖刷規律影響并非線性變化。由前文分析可知，對于清水沖刷，潛壩的沖刷是由越過壩頭的自由跌水沖擊下游河床表面而引發。在上游存在橋墩且距離較近時，橋墩繞流的紊動作用會使潛壩下游沖刷加劇。當潛壩高于河床面高度較小時，限制橋墩繞流效果不明顯，壩前水流容易越過壩頭且橋墩繞流直接作用于壩下河床，兩者疊加使得在H=1.8cm時的潛壩下游沖刷強度高于H=3.0cm的情況。當H=3.0cm時，潛壩有效減弱了橋墩繞流對壩下游河床的劇烈紊動作用，避免了直接沖刷；當H=4.2cm時，由于此時壩高高出床面較大，對于壩上水流相當于隔流屏障，雖然有效減弱了橋墩繞流對下游的影響，但由于壅水過高，壩頂水流勢能增大，水位抬升較高，水流越過壩面后形成強烈的跌水沖擊下游河床，引起劇烈的沖刷。

圖7 不同壩高潛壩下游沖刷坑最大沖刷深度歷時曲線

由此可見，在河道流量一定的情況下，橋墩下游潛壩的壩高越高，壩前壅水高度越大，橋墩周圍水面比降減小越大，橋墩周圍流速越低，沖刷深度越小，起到了保護橋墩的作用。但是壩高越高，壅水越會嚴重影響河道行洪，同時增強了跌水沖擊，下游沖刷加劇。因此，要選擇合適的壩高才能既對橋墩起到保護作用，又不會引起潛壩下游的劇烈沖刷。從安全方面考慮，建議潛壩高出河床面高度以3.0cm（0.625D）為宜。

自此，綜合考慮橋墩與潛壩間的距離L和潛壩高于河床面高度H的影響，實質上是在選擇合適的H與L的比值，文章定義此為有效壩高間距比i，即

在文章的計算條件下，可取H=1.8cm、3.0cm、4.2cm工況對比，應取H=3.0cm。結合綜合分析，橋墩與潛壩間距應取L=0.7D，故有效壩高間距比i宜取0.893。為更加準確地確定有效壩高間距比i值，應充分研究考慮水深、流速、橋墩直徑、墩型、泥沙粒徑、級配等影響。

5 結束語

文章在橋墩、潛壩以往研究總結的基礎上，對于Wang試驗模型進行了水流流態和沖刷坑深度方面的驗證，表明了所建數值模型的可靠性。在此基礎上，綜合考慮橋墩與潛壩間的距離L和潛壩高于河床面高度H的影響，提出了有效壩高間距比概念用于橋墩與潛壩布置距離和潛壩壩高選擇標準。研究結果表明，有效壩高間距比宜取0.893。