曾智泉

（中鐵第四勘察設計院集團有限公司 武漢 430063）

鋼圍堰是鉆孔樁、承臺及橋墩施工的臨時阻水結構，其作用是通過鋼壁板和封底混凝土阻水，為施工提供無水作業(yè)環(huán)境［1］。雙壁鋼圍堰可承受較大的圍堰內外水頭差，受墩位處水深的限制較小，水密雙壁結構既可用于水中浮運，又可注水下沉［2］。雙壁圍堰結構形式復雜，體積較大，一般采用在岸上加工、然后浮運至墩位的施工方法。為了保證浮運安全，配備足夠的拖船船隊，需要準確計算出圍堰浮運過程中所受的阻力。利用CFD軟件進行數(shù)值計算已成為一種普遍認可的方法［3－4］。本文分別采用規(guī)范公式和流體計算軟件對計算某鋼圍堰的浮運阻力進行了計算，并對不同方法計算結果的差異進行了探討。

1 工程概況

某需要浮運的鋼圍堰直徑50 m，高度18.5 m，重量約為1 020 t。鋼圍堰平面布置圖見圖1。

圖1 鋼圍堰平面布置圖

鋼圍堰首節(jié)浮運吃水為3.12 m，圍堰雙壁間距為2 m，圍堰內部設置了墩底隔艙。浮運過程包括逆流浮運和橫流浮運，逆流浮運指圍堰的浮運方向與水流反向，而橫流浮運指圍堰的浮運方向與水流向垂直。水流速度分別為2.0，2.2和2.5 m／s。

2 鋼圍堰浮運阻力計算方法

2.1 《公路施工手冊·橋涵》規(guī)范公式計算

在《公路施工手冊·橋涵》中給出了水中結構的水阻力計算公式：

式中：R1為水下部分受水流沖擊力，N；ξ為鋼圍堰形狀系數(shù)；ρ為水的密度，取1 000 kg／m3；S為鋼圍堰擋水面積，m2；v為浮運計算流速，m／s；g為重力加速度，9.8 m／s2。

2.2 《海上拖航法定檢驗技術規(guī)則》公式計算

在《海上拖航法定檢驗技術規(guī)則》中給出了浮運阻力計算公式：

式中：RF為摩擦阻力，RF＝1.67A1v1.83×10－3k N；RB為 剩 余 阻 力，RB＝Rl＋Rx＝0.147 CbA2v1.74＋0.15vk N。其中：A1為鋼圍堰浸水面積，m2，取外殼浸水面積；Cb為方形系數(shù)，Cb＝0.785；Rl為渦流阻力，k N；Rx為興波阻力，k N；A2為橫剖面面積，m2。

2.3 流體計算軟件計算

在計算圍堰浮運阻力時需考慮黏性的影響，由于圍堰結構尺寸較大，其浮運的流動為湍流流動。采用流體計算軟件FLUENT求解器求解控制方程RANS方程，在計算過程中選取κ－ε湍流模型，采用SIMPLE法進行壓力場和速度場的耦合求解，對流項的離散采用一階迎風差分格式。圍堰浮運速度較低，有較小的弗勞德數(shù)，所以浮運過程中興波阻力較小可以忽略不計，水阻力主要是黏性阻力，包括粘壓阻力和摩擦阻力。通過求解繞圍堰的黏性流場可以計算其黏性阻力。考慮到水流速度較低，弗勞德數(shù)Fr＝0.063～0.104，此時興波阻力很小可以忽略不計，水阻力中僅包含形狀阻力和摩擦阻力。圍堰計算模型見圖2。

圖2 鋼圍堰計算模型

建模只考慮水下部分，由于結構對稱，只建一半模型，這樣計算所需的網格數(shù)量減少了，大大縮短了計算所需時間，提高了計算效率。模型流場長350 m、寬100 m、高8 m。其對稱面處流場前端壁距模型中心100 m，后端壁距模型中心250 m。網格劃分是建立計算模型中關鍵的部分，在Gambit軟件中網格生成提供了多種技術。本文中同時采用了非結構網格與結構網格，將控制區(qū)域劃分成幾塊子域，在圍堰結構附近使用非結構網格，較遠地方使用結構網格，子區(qū)域之間網格的連續(xù)性通過相交面上的網格來控制。

3 計算結果及討論

不同水流速度工況下逆江浮運和橫江浮運的計算結果見表1。由表1可知，隨著水流速度的增加，鋼圍堰受到的浮運阻力明顯增大。不同的計算方法得到的結果中，采用《海上拖航法定檢驗技術規(guī)則》公式計算得到的結果最小，而采用流體軟件計算得到的結果最大。采用《公路施工手冊·橋涵》公式計算得到的數(shù)值也遠小于流體軟件計算得到的結果。對比各種計算方法發(fā)現(xiàn)，《公路施工手冊·橋涵》規(guī)范公式，S為鋼圍堰擋水面積，按照常規(guī)的計算，該值為鋼圍堰表面積在水流方向上的投影，而并沒有考慮鋼圍堰內部的結構和內壁的阻水效應。《海上拖航法定檢驗技術規(guī)則》中給出的浮運阻力計算公式綜合考慮了摩擦阻力、渦流阻力和興波阻力。而圍堰浮運時一般選擇氣候和水文條件相對較好的時候，而且浮運速度較低。也就是說，在圍堰浮運過程中受到的渦流阻力和興波阻力所占的比重很小。采用流體計算軟件時，考慮了圍堰內壁及內部結構所受到的水流力。從對比結果來看，《海上拖航法定檢驗技術規(guī)則》公式計算得到的結果遠小于采用流體計算程序的結果，其主要原因是結構受到的水流力作用面積不同，圍堰內壁及內部結構受到的水流力較大，是不可忽略的，見圖3。

表1 不同計算方法的計算結果

圖3 鋼圍堰壓力分布圖

4 結語

本文采用規(guī)范公式和計算流體軟件分別對某鋼圍堰浮運時受到的水阻力進行了計算，對比了不同的計算方法得到的結果之間的差異。從對比可見，流體計算軟件得到的阻力值均大于規(guī)范公式計算的結果，其主要原因是規(guī)范公式中只定義圍堰外壁為擋水面積，而實際浮運和流體計算軟件的計算過程中圍堰內壁及內部的結構也受到了較大的水流力。為了準確地評估圍堰在浮運時所受到的流體阻力，配備足夠的拖輪船隊，評估圍堰受到的流體作用力時，須將圍堰內壁及內部結構受到的流體阻力考慮在內。

［1］ 胡曙峰，張新生.印家頗梅江1號大橋3號墩鋼圍堰設計［J］.橋梁，2002（S）：75－77.

［2］ 徐雙喜，李曉彬，曹正林，等.大型沉井浮運阻力研究［J］.水運工程，2007（12）：29－32.

［3］ 李勝忠.基于FLUENT的二維數(shù)值波浪水槽研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學，2006.

［4］ 王 鵬.基于FLUENT的海堤越浪數(shù)值模擬［D］.大連：大連理工大學，2011.