柏 濤，李雨馨，許偉民，胡 鑫，馬振源，洪俊喆

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052)

社會(huì)發(fā)展需要更加便捷的交通道路，橋梁工程在其中發(fā)揮了重要的作用。橋梁作為一種構(gòu)筑物，一般架設(shè)在江河湖海上，使車輛行人等能順利通行，在社會(huì)快速發(fā)展中，橋梁扮演著非常重要的角色，然而由于橋梁在建成后缺乏必要的后期工程維護(hù)[1]等原因?qū)е聵蛄簹?。橋墩發(fā)生水毀已成為橋梁毀壞最主要的原因之一[2]。

由于橋墩布置在河道內(nèi)，會(huì)對(duì)水流行進(jìn)產(chǎn)生阻礙，在橋墩處使得水流流態(tài)改變[3]。水流在墩前涌起，行進(jìn)流速降低，橋墩兩側(cè)流速增大，并出現(xiàn)水流下潛，對(duì)橋墩局部產(chǎn)生沖刷。研究認(rèn)為墩前下潛水流是橋墩局部沖刷的主要原因。對(duì)橋墩局部沖刷的研究，科研人員進(jìn)行了大量的研究工作。早在19世紀(jì)70年代，國外專家學(xué)者Durand Claye就開始了橋墩局部沖刷的研究工作；在1956年，國外專家Chabert和Engeldinger研究提出橋墩局部沖刷存在兩種形式：清水沖刷和動(dòng)水沖刷；1986年，H.N.C.Breusers[4]等繪制了圓柱橋墩附近的水流結(jié)構(gòu)圖，發(fā)現(xiàn)河道中的行進(jìn)水流流至橋墩前時(shí)，行進(jìn)水流流速、流向都會(huì)發(fā)生劇烈變化，在墩前形成下降水流，兩側(cè)形成馬蹄形渦旋并向下游傳播和發(fā)展，導(dǎo)致水流劇烈紊動(dòng)，產(chǎn)生河床剪切力，造成了橋墩局部沖刷坑，這也比較全面地解釋了橋墩局部沖刷坑形成的機(jī)理。

隨著CFD數(shù)值模擬技術(shù)的日趨成熟和多樣化，國內(nèi)專家學(xué)者將其結(jié)合理論分析對(duì)橋墩局部沖刷進(jìn)行更為詳細(xì)和準(zhǔn)確的研究。對(duì)橋墩周圍紊動(dòng)變化、沖刷坑三維流場以及橋墩周圍水力特性做了大量的研究工作。為了反映橋墩附近的流場分布，孫東坡[5]采用有限控制體積法對(duì)橋墩局部流場進(jìn)行了三維數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)與ADV測速儀實(shí)測值的吻合性較高，數(shù)值模擬的結(jié)果基本符合橋墩局部流場的特征。劉震卿[6]使用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε湍流模型，根據(jù)推移質(zhì)輸沙模型編寫UDF程序，分析了墩臺(tái)四周的復(fù)雜流場，還利用C++編寫了沖刷模擬程序。祝志文[7]利用雷諾時(shí)均N-S方程并結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)的k-ε湍流模型進(jìn)行數(shù)值模擬，模擬河床高程坐標(biāo)瞬時(shí)變化，還通過采用邊界自動(dòng)適應(yīng)技術(shù)修改邊界計(jì)算域網(wǎng)格，來演化橋墩局部沖刷坑的變化過程。

在河流中，橋墩往往橫向連續(xù)布置?？拷影恫贾玫臉蚨?，其局部沖刷受河岸影響較大[8]。本文依據(jù)前期的橋墩局部沖刷的科研研究成果，考慮不同流量的情形，設(shè)置不同的橋墩與岸坡邊壁的距離，探究河流岸坡邊壁對(duì)河道內(nèi)橋墩的局部沖刷影響。

1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)裝置

本試驗(yàn)裝置的組成主要有供水循環(huán)系統(tǒng)、Vectrino聲學(xué)多普勒點(diǎn)式測速儀與橋墩模型。本試驗(yàn)在一矩形開敞式有機(jī)玻璃水槽內(nèi)進(jìn)行，水槽尺寸為長20m，寬50cm，高90cm，有機(jī)玻璃水槽底坡人工調(diào)整為1.24‰，試驗(yàn)段長度為5m。如圖1所示。橋墩模型由PVC管制成，直徑為50mm，放置于試驗(yàn)段內(nèi)，如圖2所示。水槽上游進(jìn)口管路上，安裝有IFM4080K型電磁流量計(jì),并設(shè)置有流量調(diào)節(jié)閥。在水槽進(jìn)口處，上游進(jìn)水段設(shè)有消能池，以保證水流平穩(wěn)進(jìn)入試驗(yàn)段。為更好地展示橋墩局部沖刷過程，模擬泥沙在河床底部的分布，試驗(yàn)段鋪設(shè)有20cm厚的泥沙，從河床底部到河床表面，泥沙顆粒逐漸減小，其中值粒徑[9]為0.24mm。在每次試驗(yàn)之前，首先要將水槽試驗(yàn)段內(nèi)的沙子均勻抹平，并在靜水中浸泡1小時(shí)以上，每次試驗(yàn)進(jìn)行1.5～2h，便可以達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)[10]。此外，在水槽末端設(shè)置有尾門，可調(diào)節(jié)槽內(nèi)水深，尾門后設(shè)置有沉沙池。

圖1 水循環(huán)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

1.2 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)中，流量分別為70m3/h與110m3/h，對(duì)應(yīng)水深為12cm與20cm，橋墩距水槽邊壁的距離依次設(shè)置為1D、2D、3D、4D以及5D，共計(jì)5個(gè)工況。試驗(yàn)測點(diǎn)布置如圖3所示，即試驗(yàn)設(shè)置一個(gè)斷面，Ⅰ—Ⅰ斷面；每一工況下，在橋墩前側(cè)與右側(cè)分別設(shè)置測點(diǎn)，測點(diǎn)距河床表面1/3水深處[11]。

圖3 試驗(yàn)測點(diǎn)布置

2 試驗(yàn)結(jié)果及其分析

試驗(yàn)中，對(duì)于每一種流量及相應(yīng)水深試驗(yàn)條件下，都進(jìn)行多次重復(fù)試驗(yàn)[12]，試驗(yàn)數(shù)據(jù)取平均值。隨著流量的增大，沖刷坑的最大深度、最大寬度與墩前近底垂向流速也會(huì)相應(yīng)增大。本試驗(yàn)以Q=70m3/h、H=12cm為代表來分析橋墩局部沖刷現(xiàn)象。

2.1 橫向流速的變化

由圖4可見，橋墩布置在水槽內(nèi)，隨著橋墩與水槽邊壁間距的增大，橋墩右側(cè)測點(diǎn)Ri的橫向流速先增大后減小，存在最大值，出現(xiàn)在間距為3D處。當(dāng)橋墩與水槽邊壁間距小于3D時(shí)，測點(diǎn)的橫向流速與間距呈正相關(guān)，主要原因是橋墩與水槽邊壁間距過小時(shí)，會(huì)對(duì)水流產(chǎn)生阻礙作用，使得測點(diǎn)橫向流速較??；當(dāng)間距增大時(shí)，橋墩與水槽邊壁之間的過水?dāng)嗝嬖龃?，?duì)水流的阻礙作用消失，水流快速通過斷面，測點(diǎn)橫向流速增大。當(dāng)橋墩與水槽邊壁間距大于3D時(shí)，測點(diǎn)的橫向流速與間距呈負(fù)相關(guān)，橋墩與水槽邊壁之間的過水?dāng)嗝孢M(jìn)一步增大，使得測點(diǎn)橫向流顯著減?。划?dāng)間距為4D與5D，可以發(fā)現(xiàn)測點(diǎn)的橫向流速差別不大，原因主要是間距變大后，水槽邊壁對(duì)橋墩右側(cè)測點(diǎn)橫向流速的影響減小，橋墩一側(cè)的橫向流速在該流量下趨于穩(wěn)定。

圖4 測點(diǎn)R處橫向流速分布

2.2 垂向流速的變化

由圖5可見，橋墩布置在水槽內(nèi)，隨著橋墩與水槽邊壁間距的增大，墩前測點(diǎn)Fi的垂向流速呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，但垂向流速變化并不大，均控制在0.12～0.14m/s內(nèi)。

圖5 測點(diǎn)F處垂向流速分布

2.3 沖刷坑尺寸變化

由表1可見，隨著橋墩與水槽邊壁之間間距的增大，沖刷坑的最大沖刷深度基本沒有變化，沒有呈現(xiàn)出一定的相關(guān)性；沖刷坑的最大寬度則隨著間距的增大，逐漸減小，呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系?？鄢龥_刷坑內(nèi)橋墩部分體積，利用試驗(yàn)測得的沖刷坑尺寸數(shù)據(jù)，近似計(jì)算沖刷坑的體積，由圖6可知，隨著橋墩與水槽邊壁之間間距的增大，沖刷坑的體積逐漸減小，呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，在間距最小時(shí)，沖刷坑體積最大。

表1 不同工況下沖刷坑尺寸

注：標(biāo)注工況“2D”表示橋墩與水槽邊壁之間的距離。

圖6 不同工況下沖刷坑體積變化

3 結(jié)論

以橋墩局部水流流速與局部沖刷坑尺寸為指標(biāo)，進(jìn)行橋墩沖刷的水力模型試驗(yàn)，探究橋墩與河岸之間的間距對(duì)橋墩局部沖刷的影響，主要得出以下結(jié)論：①間距小于3D時(shí)，間距對(duì)橋墩局部沖刷具有較大影響，間距與橋墩局部沖刷坑呈負(fù)相關(guān)，沖刷坑體積隨間距的增大而減小；②橋墩側(cè)向測點(diǎn)Ri點(diǎn)的橫向流速隨間距的增大，先增大后減小，最大值出現(xiàn)在間距為3D時(shí)；③橋墩墩前測點(diǎn)Fi點(diǎn)的垂向流速隨間距增大，基本不發(fā)生變化；④模型試驗(yàn)中，沒有考慮水槽邊壁的結(jié)構(gòu)、糙率以及其他粒徑泥沙對(duì)橋墩局部沖刷的影響。