(1.中鐵大橋勘測設(shè)計院集團有限公司,湖北 武漢 430050; 2.南京水利科學研究院,江蘇 南京 210029; 3.水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室,江蘇 南京 210098)
涉水橋梁橋墩的阻水作用,必然導致水流(海流)與泥沙相互作用發(fā)生變化。橋墩局部沖刷的發(fā)生,也促使河(海)床作出相應調(diào)整,不僅影響到橋梁所在河段的演變趨勢,而且還可能威脅到橋梁建筑物本身的安全與穩(wěn)定。對橋墩局部沖刷深度的可靠預測以及采取適當?shù)臎_刷防護措施是保證橋梁安全運行的基礎(chǔ),因此必須對橋墩局部沖刷及防護引起足夠重視[1]。
對于單向流作用下的橋墩局部沖刷問題,國內(nèi)外研究者通過一個多世紀的研究,已經(jīng)取得了相對比較成熟的研究成果[2-4]。但隨著沿海經(jīng)濟的快速發(fā)展,大型跨海橋梁的建設(shè)越來越多,跨海灣(河口)橋梁基礎(chǔ)所處的海域往往具有水深、浪高、雙向非恒定潮流等水動力條件復雜的特點,使現(xiàn)有單向流沖刷研究成果難以適用于跨海橋梁基礎(chǔ)的沖刷問題[5]。目前,對于跨海橋梁基礎(chǔ)的沖刷研究還處于初級階段,國內(nèi)已建的、在建的跨海大橋橋梁基礎(chǔ)的沖刷大都通過專門的水槽模型試驗專題測定[6-7],就物理模型而言,除了投資大、存在比尺效應外,還存在周期長、可移植性差等缺點,難以完全適應多因素、大范圍、多方案的工程規(guī)劃問題。因此,應用數(shù)學模型研究這類問題,無疑是今后的發(fā)展方向。本文通過FLOW-3D建立波流共同作用下的三維橋墩沖刷及防護數(shù)學模型,針對典型橋墩在波流作用下的沖刷及防護特性進行了研究分析,其研究方法可為類似研究提供參考,其研究結(jié)果亦具有重要的理論價值和現(xiàn)實意義。
該數(shù)學模型設(shè)置了長16.675 m、寬13.34 m、高0.3 m的長方體區(qū)域為計算的區(qū)域。模型橋墩為圓柱橋墩,高5.0 m,直徑66.7 cm或36.0 cm,橋墩位于距離模型最前端 10.005 m(即為圓柱直徑的10倍)處。在X方向,對橋墩前后1 m范圍內(nèi)進行了局部加密,劃分的網(wǎng)格單元數(shù)為150個;在Y方向,橋墩左右1m范圍內(nèi),劃分的網(wǎng)格單元數(shù)為120個,模型的總體網(wǎng)格設(shè)置為180×170×100個。模型的平面圖和網(wǎng)格劃分如圖 1所示。
圖1 模型的平面圖和網(wǎng)格劃分示意
本文數(shù)值模擬研究及驗證采用文獻[5]的物理模型,該模型采用1∶1的設(shè)計比尺,具體設(shè)置如下:動床面長6 m,寬5 m,泥沙床面厚度 0.3 m,泥沙選用中值粒徑 0.12 mm、分選系數(shù)為1.15的粉砂,試驗中水深0.467 m,選取3種不同來流流速,分別為4.23,7 cm/s和10.06 cm/s。選擇2種不同墩柱直徑,分別為36 cm和 66.7 cm。各組試驗中,水深恒定,在物理模型實驗中,加上波浪的作用,選取11組不同波高和波浪周期進行試驗,具體組次安排見表1。
表1 數(shù)值模擬和物理模型試驗組次
注:D為橋墩直徑,h為模型水深,v為邊界流速,H為入射波高,T為入射波周期。
邊界上面的設(shè)置完全按照1∶1輸入表1的流速、波高、水深和波浪周期值。驗證結(jié)果如圖 2所示。結(jié)果表明,所建模型模擬效果較好。
圖2 最大沖刷深度實測值與模擬值對比
如圖 3(a)所示,在橋墩的前方泥沙區(qū)域,有明顯的馬蹄形漩渦產(chǎn)生,而且沿墩柱的豎直方向,由上至下的下泄水流明顯,這是因為橋墩結(jié)構(gòu)物阻礙了水流的前進,致使橋墩前端的水面出現(xiàn)明顯的壅高現(xiàn)象,且在橋墩前端部分達到最高值。如圖 3(b)所示,當水流作用接觸橋墩時會發(fā)生繞流,系統(tǒng)設(shè)置墩柱邊壁的流速為無流速,由于橋墩兩側(cè)繞流的存在,流速較大。橋墩迎水面阻水的能力阻礙了水流,產(chǎn)生了壅水現(xiàn)象,也使橋墩前端部分的流速減小為零。壅水現(xiàn)象是向下豎直水流產(chǎn)生的原因。
圖3 墩柱附近流速結(jié)構(gòu)示意
以第二組數(shù)值模擬為例:在墩柱周圍選取6個特征斷面,分別是X=-R、0、R與Y=-R、0、R,由圖 4(a)~(f)所示,沖刷從400 s到500 s的過程中,沖刷深度的量逐漸減小,沖刷漸漸趨近動態(tài)平衡。從400 s的斷面沖刷量到500 s的斷面沖刷量,沖刷增加量僅為橋墩墩半徑的1.36%,基本達到了沖淤平衡。在沖淤平衡時刻,沖刷最大深度為 8.2 cm,與實驗值進行比較,相差僅 1.8 cm,說明模型計算具有一定準確性。
圖4 不同特征斷面沖淤變化
設(shè)置了3種高程,研究防護高度對沖刷的影響:①工況1:當Z=0.29 m時,護圈埋在泥沙中;②工況2:Z=0.31 m時,護圈保護結(jié)構(gòu)物與泥沙面齊平;③工況3:Z=0.32 m時,護圈保護結(jié)構(gòu)物的底面距動床床面距離為1 cm。其中Z為護圈結(jié)構(gòu)物距離床沙頂部的距離,具體示意見圖 5。
圖5 保護結(jié)構(gòu)物沖刷示意
如圖 6所示,當護圈結(jié)構(gòu)物與動床床面齊平的情況下,最大沖刷深度的減小量最大,護圈保護結(jié)構(gòu)物抑制沖刷效率最高(其中,R為護圈橋墩保護結(jié)構(gòu)物的半徑,r為橋墩半徑)。
圖6 不同擺放位置時的最大沖刷深度比較
為研究防護面積對橋墩沖刷的影響,設(shè)置3種防護面積,R=0.29r,R=0.31r及R=0.32r。根據(jù)已有研究成果分析,當護圈擺放在相同的相對床面高度時,不同的護圈半徑對于最大沖刷深度的影響不同,若護圈半徑增大,將會使最大沖刷深度明顯減小,抑制沖刷效率增加。
如圖 7所示,隨著護圈半徑增大,在相同護圈相對高度的情況下,最大沖刷深度明顯較小,這是由于護圈半徑增大后,更多地阻礙了橋墩周圍的紊動水流對泥沙的淘刷,水流對橋墩周圍的泥沙的侵蝕作用隨著護圈的增加而不斷減小,使橋墩周圍的泥沙沖刷量也急速減小。護圈結(jié)構(gòu)物半徑增加的過程中,對于橋墩周圍泥沙的保護作用是不斷加強的。
圖7 不同護圈半徑下的最大沖刷深度比較
(1)FLOW-3D模型能準確模擬出橋墩四周的三維紊動流態(tài),包括馬蹄形漩渦、尾渦擺動以及邊界層分離,而且表現(xiàn)出墩柱迎水面下泄水流對橋墩迎水面底部的沖刷作用。
(2)FLOW-3D在計算三維橋墩局部沖刷有下列特點:模型能夠在很短的模擬時間之內(nèi),快速達到?jīng)_刷動態(tài)平衡,而且達到?jīng)_刷動態(tài)平衡時刻的最大沖刷深度值與物理模型試驗實測值相差約在10%~30%之間。
(3)護圈保護結(jié)構(gòu)物對于橋墩四周的局部沖刷有較好的抑制作用,可有效保護橋墩四周的泥沙不被三維的紊動水流侵蝕。研究表明:當護圈保護結(jié)構(gòu)物與泥沙床面齊平的時候,護圈保護結(jié)構(gòu)物直徑越大,保護效果越好;護圈結(jié)構(gòu)物與泥沙床面齊平的時候保護效果最好,這種方案優(yōu)于護圈浮于泥沙床面以及護圈與泥沙床面距離較遠的情況。
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