陳艷梅，牟獻友，成蘭艷，李春江

(1. 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木建筑工程學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010018； 2. 內(nèi)蒙古巴彥淖爾市臨河區(qū)水務(wù)局，內(nèi)蒙古巴彥淖爾 015000)

近年來，隨著橋梁建設(shè)的迅猛發(fā)展，橋梁水毀事故不斷增加。2013年6月，四川德陽市雙鳳橋被洪水沖垮，河水把第2個橋墩沖垮，橋梁斷成了兩截，呈“V”字形倒在河床上。同年7月，因暴雨導(dǎo)致河流湍急，四川江油市青蓮大橋亦被沖垮。橋墩遭受沖刷是發(fā)生水毀的主要原因之一[1]。多年以來，很多水利水運工程領(lǐng)域?qū)＜覍W(xué)者都在不斷深入研究橋墩局部沖刷的發(fā)展過程，包括沖刷時水流結(jié)構(gòu)的變化以及水力特性的變化等等，如果能準確掌握這些變化因素，就能有效減小橋墩沖刷，防止水毀事故的發(fā)生。單個橋墩水流結(jié)構(gòu)包括橋墩前部的下降水流、下部的馬蹄形漩渦、前邊的表層旋滾和下游的激發(fā)漩渦[2]。其中，下降水流是引起橋墩沖刷的主要原因。

環(huán)翼式橋墩防沖刷的基本原理就是利用環(huán)翼式擋板阻擋下降水流，使下降水流向橋墩兩側(cè)分流，減小對橋墩的正面沖刷。張萬鋒等[3]研究了由不同數(shù)量的擋板組成環(huán)翼式橋墩的防沖刷效果，得出擋板數(shù)量多少對橋墩局部沖刷影響相差不大。成蘭艷等[4-5]研究了環(huán)翼式橋墩單個擋板的防沖刷效果，得出了環(huán)翼式橋墩擋板的最佳位置和最佳尺寸。本文在此基礎(chǔ)上進一步研究環(huán)翼式橋墩不同擋板形狀的垂向水力特性。

1 試驗裝置及方法

1.1 試驗裝置

本試驗主要在一矩形玻璃水槽中進行，水槽長2 000 cm，寬50 cm，高90 cm，人工調(diào)整底坡坡降為1.24‰，試驗水溫T=18～20℃，水的密度ρ=998.255 kg/m3，運動黏滯系數(shù)γ=1.046 6×10-6m2/s。試驗段為動床，鋪砂長500 cm，厚21 cm。由于水、沙的相互作用，沖刷深度隨著時間的推移不斷發(fā)生變化，一段時間過后，沖刷趨于穩(wěn)定。為保證橋墩沖刷更貼近實際和試驗數(shù)據(jù)的準確性，每次試驗前將砂床面鋪平，再放水浸泡2 h直至沖坑達到穩(wěn)定狀態(tài)。試驗時，采用IFM4080K型電磁流量計測量流量，通過上游的流量調(diào)節(jié)閥控制流量，通過下游出口的尾門控制水深，采用JS-B型精密水位儀測量水位，采用小威龍vertric+型流速儀測量流速。試驗系統(tǒng)布置見圖1。

試驗過程中所采用的動床材料是均勻砂，平均粒徑為0.55 mm，橋墩模型由內(nèi)徑為45 mm的PVC飲水管制成，擋板是用板前端為45 mm的PVC板制成的半圓形擋板，板尾端寬度分別為45，23和0 mm，由此形成了3種規(guī)格擋板，分別為A1，A2和A3，見圖2。

(a) A1 (b) A2 (c) A3 圖1 環(huán)翼式橋墩試驗系統(tǒng)布置 圖2 環(huán)翼式橋墩不同擋板形狀外形設(shè)計參數(shù)(單位： mm) Fig.1 Experimental system arrangement for the ring-wing bridge pier Fig.2 Design parameters of the ring-wing bridge pier (unit: mm)

1.2 試驗方法

本試驗擋板置于水深的1/3處，流速分別為70，90和110 m3/s，對應(yīng)水深分別為12，16和20 cm，擋板形狀分別為無擋板，A1，A2，A3，根據(jù)正交試驗設(shè)計原則，共設(shè)計12個工況。

試驗測點布置見圖3，即試驗設(shè)置4個斷面，每個斷面有7條測線，每條測線布置5個測點。

(a) 測點平面布置(單位：mm) (b) 測點垂向布置圖3 各斷面測點布置Fig.3 Layout of measuring points

2 試驗結(jié)果及其分析

2.1 垂向流速的變化

由于環(huán)翼式擋板阻擋的是下降水流，在橋墩局部沖刷過程中，主要減小的是垂向流速。本試驗測得5個斷面上的垂向流速，測線1，2，3與測線7，6，5(以測線4為中心線)對稱，因此，僅分析流量為70 m3/h時Ⅱ-Ⅱ斷面上測線1，2，3，4的流速分布。不同擋板形狀時垂向流速分布見圖4。

(a) 無擋板 (b) A1 (c) A2 (d) A3圖4 不同擋板形狀垂向流速分布Fig.4 Vertical velocity distributions caused by different baffle shapes

由圖4可見：(1)無擋板時，測線1，2的垂向流速變化都不大，測線3，4的垂向流速隨著測點高度與水深比值的增大而減小，最大值出現(xiàn)在河床底部，即近底垂向流速最大，最小值出現(xiàn)在水流近表面處。這是因為河流中增加橋墩，水流必定會發(fā)生變化，而且測線1，2距橋墩的距離比測線3，4遠，所以測線1，2處水流受到的影響小，水力參數(shù)變化不大。(2)與無擋板相比，測線1，2的垂向流速變化都不大，這是因為測線1，2在擋板側(cè)面，受擋板影響較小。(3)與無擋板相比，測線3，4的垂向流速整體減小，近底垂向流速減小程度更大，這是因為形狀為A1，A2，A3的3種擋板影響了垂向流速，尤其是近底垂向流速。(4)無論擋板為哪一種形狀，測線4即橋墩中心線的垂向速度在安放擋板位置處有拐點，這是因為水流受到擋板的阻擋，流速急劇增大，但是擋板下面的水流流速又較小，所以會產(chǎn)生拐點。

圖5 不同擋板形狀近底垂向流速分布Fig.5 Velocity distributions near bottom caused by different baffle shapes

以上分析表明，無論什么形狀的擋板都會減小橋墩附近的垂向流速，尤其是近底垂向流速。再進一步分析近底垂向流速，不同擋板形狀近底垂向流速分布見圖5。

從圖5可見：無論是否加擋板，無論擋板是哪種形狀，測線1，2的近底垂向流速變化范圍不大，加擋板與無擋板相比只是略有增加；與無擋板相比，擋板形狀為A1，A2時測線3的近底垂向流速明顯減小，擋板形狀為A3時測線3的近底垂向流速反而有增加；與無擋板相比，任何形狀擋板的近底垂向流速都明顯減小，擋板形狀為A1時減小程度最大。

2.2 紊動寬度

自然界和工程中的大部分流體流動都屬于紊流。在復(fù)雜的水流中建橋，必然會形成船只航行的不安全區(qū)域[6]。從船舶和橋梁的安全考慮，橋渡航道的邊線宜布置在該紊流寬度以外[7]。因此，需要進一步研究紊流寬度。

胡旭躍等[8]根據(jù)水流表層漩渦情況確定了橋墩紊流寬度，即總紊流強度極大值出現(xiàn)位置離橋墩的距離，得到了順直水槽單個圓柱形橋墩兩側(cè)水流表層漩渦區(qū)寬度與弗勞德數(shù)Fr(0.14～0.40)的相關(guān)關(guān)系[9]。

(1)

式中：B為紊流寬度；D為橋墩寬度；B/D為相對紊流寬度。

圖6 不同擋板形狀相對紊動寬度分布Fig.6 Relative turbulent width distributions caused by different baffle shapes

不同擋板形狀相對紊動寬度分布見圖6，由圖可見：(1)與無擋板相比，加上擋板之后的紊動寬度都有了不同程度的增加，擋板形狀為A1時增加得最大，A2次之，A3最小，這是因為擋板的大小影響了水流的紊動，擋板尾端寬度越大，影響水流紊動寬度就越嚴重。(2)與無擋板相比，擋板形狀為A1、A2和A3時紊動寬度分別增加了5.7%，3.7%和2.6%，總體增加程度不大?？梢?，橋墩沖刷對紊流寬度影響較小，試驗結(jié)果與文獻[9]結(jié)論一致。

2.3 垂向紊動強度

3種環(huán)翼式擋板形狀對紊流寬度的影響較小，為進一步了解水流紊動的強度，需研究表層垂向紊動強度和近底垂向紊動強度。垂向紊動強度的計算式為：

(2)

由圖7(a)可見：(1)無論是否設(shè)擋板，隨著測點到橋墩中心距離的增大，表層垂向紊動強度越來越大，靠近水槽邊壁的表層垂向紊動強度最大，這是因為水流受到水槽邊壁粗糙度的影響；(2)與無擋板相比，設(shè)擋板之后的測線1，2的表層垂向紊動強度增大， A1的增大程度最小，測線3，4的表層垂向紊動強度減小， A1的減小程度最大。由圖7(b)可見：(1)無擋板時，近底垂向紊動強度與測點到橋墩的距離成正相關(guān)關(guān)系，即測點到橋墩中心的距離越大，近底垂向紊動強度越大。(2)無論是否設(shè)擋板，近底垂向紊動強度的最小值都出現(xiàn)在橋墩中線上，最大值都出現(xiàn)在靠近邊壁的測線上。(3)設(shè)A1，A2兩種形狀擋板時，近底垂向紊動強度均減小，A1減小程度較A2大，這是因為受到環(huán)翼式擋板影響的結(jié)果。

(a) 表層垂向紊動強度 (b) 近底垂向紊動強度圖7 不同擋板形狀各測線垂向紊動強度Fig.7 Vertical turbulence intensities caused by different baffle shapes

3 數(shù)值模擬

紊流是極其復(fù)雜的水流。紊流的瞬時特性不規(guī)則、無法描述，而且還有很強的隨機性，因此很難獲得紊流流動結(jié)構(gòu)及動量、熱量、物質(zhì)輸運過程等信息，更不容易進行預(yù)測。

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展和數(shù)值計算方法的日趨成熟，出現(xiàn)了基于現(xiàn)有流動理論的CFD軟件。CFD軟件是專門用來進行流場分析、計算和預(yù)測的軟件，可分析并顯示發(fā)生在流場中的現(xiàn)象。

3.1 建立控制方程

控制方程是利用數(shù)學(xué)語言對守恒定律進行描述。假定流體是由無限個連續(xù)不斷的流體質(zhì)點組成，質(zhì)點間不存在間隙，流體的宏觀物理量就可以表示成空間坐標和時間的連續(xù)函數(shù)，進而描述和分析流體的平衡運動規(guī)律[10]。

式中：ΓΦ為廣義擴散項；SΦ為廣義源項。

3.2 確定初始條件及邊界條件

(1)進口邊界：進口邊界設(shè)在上游，分為兩部分， 上半部分是氣體進口，設(shè)為壓力進口條件；下半部分是水流進口，設(shè)為流速進口條件。一般情況下，湍流動能k和湍流能量耗散率ε可按下式[11]粗略計算：

(4)

(2)出口邊界：出口邊界設(shè)在水槽下游，邊界條件為壓力出口，并且所有變量(除壓力外)沿流動方向的梯度為0。

(3)壁面邊界：采用無滑移邊界條件。

3.3 劃分計算網(wǎng)格

網(wǎng)格劃分越細，計算收斂精度越高。本試驗的數(shù)值模擬主要是針對橋墩周圍的水流結(jié)構(gòu)變化，所以在橋墩周圍20 cm之內(nèi)用三角形網(wǎng)格，其他部位采用規(guī)則的四邊形網(wǎng)格(見圖8)。

(a) 數(shù)值計算圓柱周圍網(wǎng)格 (b) 數(shù)值計算流場整體網(wǎng)格圖8 數(shù)值計算網(wǎng)格劃分Fig.8 Numerical calculation meshes

3.4 模型驗證

不同擋板形狀對應(yīng)的垂向速度矢量分布見圖9。由圖9可見，在鉛垂方向上，水流在橋墩迎水面形成壅流和下降水流。設(shè)擋板后，在擋板處水流垂向流速先增大后減小，這是由于擋板阻礙了下降水流。擋板形狀為A1時，下降水流的近底垂向流速減小程度最大。將不同擋板形狀各測線垂向流速實測值與模擬值進行對比(圖10)，可見兩者吻合較好。

(a) 無擋板 (b) A1

(c) A2 (d) A3圖9 不同擋板形狀對應(yīng)的垂向速度矢量Fig.9 Vertical velocity vector diagrams vs. different baffle shapes

(a) 無擋板 (b) A1 (c) A2 (d) A3圖10 不同擋板形狀各測線垂向流速實測值與模擬值對比Fig.10 Vertical velocity comparison between the measured and simulated results of different baffle shapes

4 結(jié) 語

試驗研究了環(huán)翼式橋墩不同擋板形狀時的垂向水力特性，并借助CFD軟件進行數(shù)值模擬分析，得出以下結(jié)論：

(1)與無擋板相比，任何形狀擋板的近底垂向流速都明顯減小，擋板形狀為A1時減小程度最大；

(2)3種形狀擋板對水流紊動寬度的影響都不大，其中擋板形狀A(yù)1影響最大但也僅增加了5.7%；

(3)擋板形狀A(yù)1近底垂向紊動強度減小程度最大；

(4)不同擋板形狀各測線垂向流速實測值與模擬值的比較表明，兩者吻合較好。

參 考 文 獻：

[1]梁利博， 楊小亭， 張新燕. 圓柱橋墩局部沖刷的試驗研究[J]. 中國農(nóng)村水利水電， 2010(1)： 104-109. (LIANG Li-bo， YANG Xiao-ting， ZHANG Xin-yan. Experimental research on cylinder pier local scour[J]. China Rural Water and Hydropower， 2010(1)： 104-109. (in Chinese))

[2]梁森棟， 張永良. 大橋復(fù)合橋墩局部沖刷深度的計算分析[J]. 水利學(xué)報， 2011， 42(11)： 1334-1340. (LIANG Sen-dong， ZHANG Yong-liang. Analysis of the local scour around complex piers of a sea-crossing bridge[J]. Journal of Hydraulic Engineering， 2011， 42(11)： 1334-1340. (in Chinese))

[3]張萬鋒， 文恒， 牟獻友， 等. 環(huán)翼式橋(閘)墩防沖刷實驗研究[J]. 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報： 自然科學(xué)版， 2011， 32(3)： 226-229. (ZHANG Wan-feng， WEN Heng， MOU Xian-you， et al. Experimental research on scouring and protective of bridge pier(brake) with wing-ring baffles[J]. Journal of Inner Mongolia Agricultural University(Natural Science Edition)， 2011， 32(3)： 226-229. (in Chinese))

[4]成蘭艷， 牟獻友， 文恒， 等. 環(huán)翼式橋墩局部沖刷防護試驗[J]. 水利水電科技進展， 2012， 32(3)： 14-18. (CHENG Lan-yan， MOU Xian-you， WEN Heng， et al. Experimental research on protection of ring-wing pier against local scour[J]. Advances in Science and Technology of Water Resources， 2012， 32(3)： 14-18. (in Chinese))

[5]成蘭艷， 郝拉柱， 牟獻友， 等. 環(huán)翼式橋墩環(huán)翼式擋板最佳延伸長度試驗[J]. 水利水電科技進展， 2013， 32(3)： 32-36. (CHENG Lan-yan， HAO La-zhu， MOU Xian-you， et al. Experimental research on optimal development lengths of ring-wing baffle of ring-wing pier[J]. Advances in Science and Technology of Water Resources， 2013， 32(3)： 32-36. (in Chinese))

[6]何小花， 陳立， 王鑫. 橋墩紊流寬度的試驗研究[J]. 水利水運工程學(xué)報， 2006(3)： 49-53. (HE Xiao-hua， CHEN Li， WANG Xin. Experimental study of turbulent width at piers[J]. Hydro-Science and Engineering， 2006(3)： 49-53. (in Chinese))

[7]沈小雄， 程永丹， 胡旭躍， 等. 航道邊線與橋墩之間安全距離的研究[J]. 水運工程， 2004(11)： 85-87. (SHEN Xiao-xiong， CHENG Yong-dan， HU Xu-yue， et al. Safe distance between channel sideline and bridge pier[J]. Port and Waterway Engineering， 2004(11)： 85-87. (in Chinese))

[8]胡旭躍， 沈小雄， 程永丹， 等. 墩柱周圍水流表層渦漩區(qū)寬度的試驗研究[J]. 長沙理工大學(xué)學(xué)報： 自然科學(xué)版， 2004， 1(1)： 39-42. (HU Xu-yue， SHEN Xiao-xiong， CHENG Yong-dan， et al. Experimental investigation on width of superficial eddy area around cylindrical pier[J]. Journal of Changsha University of Science and Technology(Natural Science)， 2004， 1(1)： 39-42. (in Chinese))

[9]林姍， 陳明棟， 陳明. 橋墩紊流寬度研究綜述[J]. 水利水運工程學(xué)報， 2011(2)： 105-110. (LIN Shan， CHEN Ming-dong， CHEN Ming. Review of studies on turbulence width at piers[J]. Hydro-Science and Engineering， 2011(2)： 105-110. (in Chinese))

[10]谷攀. 彎道取水口水力特性研究 [D]. 呼和浩特： 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)， 2011. (GU Pan. Research on hydraulic characteristic in water intake of artificial bend[D]. Hohhot： Inner Mongolia Agricultural University， 2011. (in Chinese))

[11]王福軍. 計算流體動力學(xué)分析-CFD軟件原理與應(yīng)用[M]. 北京： 清華大學(xué)出版社， 2004. (WANG Fu-jun. Computational fluid dynamics-principles and applications of CFD software[M]. Beijing： Tsinghua University Press， 2004. (in Chinese))