唐 煜 ，楊 松，胡 攀，景 聰

1.西南石油大學(xué)土木工程與測繪學(xué)院，四川 成都 610500

2.四川公路橋梁建設(shè)集團(tuán)有限公司，四川 成都 610041

引言

建設(shè)交通強(qiáng)國的重點任務(wù)在于建設(shè)一流的綜合交通設(shè)施網(wǎng)絡(luò)體系[1]，大型橋梁是公路和鐵路跨越江、河、湖、海等自然障礙的關(guān)鍵節(jié)點工程。圍堰（或沉井）施工是深水基礎(chǔ)的常見施工形式，廣泛應(yīng)用于大型橋梁的深水橋墩建造，如滬蘇通長江公鐵大橋、泰州長江大橋等。圍堰下沉施工過程改變了原本平衡的水體自然流態(tài)，造成復(fù)雜多變的水流環(huán)境，水流力直接作用于圍堰，可能造成圍堰側(cè)翻、扭轉(zhuǎn)等安全問題。2013 年10 月，重慶豐都長江二橋4 號橋墩施工過程中，水壓作用導(dǎo)致鋼圍堰在隔艙混凝土頂部位置發(fā)生突然斷裂。2016 年3 月，滬通長江公鐵大橋29 號主墩沉井施工過程中突發(fā)大規(guī)模涌砂涌水，導(dǎo)致沉井靠江心側(cè)井壁瞬間坍塌。

確定流水中圍堰所受的水力荷載是圍堰自身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度驗算和整體抗傾覆抗滑移能力驗算的基本前提。中國現(xiàn)行《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范JTG D602015》和《鐵路橋涵設(shè)計規(guī)范TB 100022017》（簡稱為“公規(guī)”和“鐵規(guī)”）對橋墩的水力作用都僅考慮順流向阻力，把橋墩按截面幾何差異簡單歸類為方形、尖端形、矩形、圓端形、圓形等5 類，通過流水壓力標(biāo)準(zhǔn)值計算式中對橋墩形狀系數(shù)區(qū)別取值來確定順流向阻力，且該橋墩形狀系數(shù)在公規(guī)和鐵規(guī)中的取值還略有不同，從側(cè)面反映出工程設(shè)計界對該問題的認(rèn)識亟待深入。而對于橫流向水力作用，公規(guī)和鐵規(guī)均未考慮。當(dāng)前規(guī)范對橋梁施工圍堰結(jié)構(gòu)的水力作用未做明文闡述，行業(yè)內(nèi)圍堰（或沉井）設(shè)計和施工一般直接按規(guī)范中的橋墩水力作用取值，與工程實際可能存在較大偏差，工程實踐表明，橋梁圍堰（或沉井）等大型結(jié)構(gòu)的橫向水流力較大，不可忽略，有必要開展專門研究。

水力模型試驗和數(shù)值模擬是研究圍堰水力作用的主要手段。王超等[2]介紹了水槽模型試驗中南京長江三橋主橋南塔施工鋼圍堰（截面為84.0 m×29.0 m 啞鈴型）所受縱向和橫向水流力的作用情況；陳策等[3]基于模型水力試驗測試了泰州長江大橋中塔（截面為44.1 m×58.2 m 矩形倒圓角）沉井在不同流速不同吃水深度條件組合下所受的縱向和橫向水流力；胡勇等[4]通過水槽模型試驗較為系統(tǒng)地研究了圓端形、圓形、矩形及方倒角形圍堰的水流阻力和橫向作用特征，研究中考慮水深、吃水深度、流速、水流夾角等影響；Kang 等[5]通過模型水槽試驗測量了波浪-水流聯(lián)合作用下平潭海峽大橋橋墩啞鈴型圍堰承受的阻力；Subrata 等[6]通過模型水槽試驗研究了圓形沉井在波浪和水流聯(lián)合作用下的水荷載。

水力模型試驗的周期長、成本高，工程中越來越多地使用數(shù)值模擬技術(shù)對圍堰水力作用進(jìn)行計算分析。陳策[7]通過數(shù)值模擬研究泰州長江大橋中塔沉井的水流作用力，并與工程實測的沉井拉纜力值比較進(jìn)行間接驗證；胡勇等[4]通過三維數(shù)值模擬計算得到了武漢天興洲長江大橋2 號墩施工（截面為矩形）圍堰的水流阻力系數(shù)，用于指導(dǎo)設(shè)計；肖苡辀等[8]通過數(shù)值模擬研究常泰長江大橋5 號墩（截面為57.8 m×95.0 m 圓端形）沉井在不同下沉深度下的水力特性，所得水流阻力系數(shù)與模型水工試驗結(jié)果吻合較好；魏凱等[9]利用CFD 軟件分析考慮開挖基坑影響下，某跨越長江的雙塔斜拉橋主塔（截面為95.0 m×57.8 m 圓端形）沉井下沉過程中的水流力變化；段倫良等[10]使用CFD 模擬分析了某大橋橋臺施工（截面為37.8 m×84.8 m 啞鈴形）圍堰周圍流場的分布特點及周圍海床的局部沖刷形態(tài)。

上述研究在一定程度上為工程中的圍堰水荷載取值提供了參考依據(jù)，但這些研究均基于圍堰（或沉井）刃腳齊平的平底情況，僅適合河床較為平緩的工程地址場景。當(dāng)橋墩處于基巖傾斜角度較大的河床，高低刃腳異形圍堰（或沉井）更加適用，如南龍鐵路閩江特大橋10 號墩和17 號墩、忠縣長江大橋8 號墩等均采用此類異形圍堰施工建造。相比于水流對平底圍堰的水力作用，高低刃腳異形圍堰繞流流場更為復(fù)雜，其橫流向力可能更大，設(shè)計難度增加，目前還未見到有關(guān)高低刃腳異形鋼圍堰水力作用的相關(guān)研究報道。

鑒于此，本文以河道中某大跨度橋梁工程橋墩施工采用的高低刃腳異形鋼圍堰為研究對象，通過求解流體運(yùn)動的雷諾時均Navier-Stokes 方程（RANS）和SSTk-ω 湍流模型，模擬圍堰下放過程中的典型階段，分析圍堰繞流場特征，研究流水作用下的圍堰阻力與側(cè)向力特性。

1 異形圍堰工程概況

某圍堰服務(wù)于跨江大橋基礎(chǔ)施工，根據(jù)該處河床線高低起伏的特點，設(shè)計為高低刃腳異形鋼圍堰，如圖1。

圖1 河道中的圍堰Fig.1 Cofferdam in river channel

圍堰采用圓形截面，直徑D為41 m，根據(jù)施工需要，圍堰在下沉前其內(nèi)部區(qū)域的河床上已安裝就位19 根直徑為3.3 m 的圓柱形鋼護(hù)筒用于下沉定位。異形圍堰最大高度16 m，最小高度9 m。以設(shè)防水位為研究水位，圍堰下沉到達(dá)預(yù)定位置后，圍堰最低處距設(shè)防水位為16 m。

2 圍堰繞流數(shù)值模擬

2.1 水流控制方程及湍流模型

河道水流可視為不可壓縮流體，其雷諾時均的Navier-Stokes 方程可表示為

渦動黏性由SSTk-ω 模型來計算，該模型中的k方程和ω 方程分別為

2.2 重疊網(wǎng)格技術(shù)及計算域網(wǎng)格劃分

重疊網(wǎng)格又稱嵌套網(wǎng)格，是一種允許網(wǎng)格子區(qū)域相互重疊嵌套的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格方法，各個子網(wǎng)格之間的流場信息通過插值傳遞。重疊網(wǎng)格技術(shù)最初由Benek 在1985 年提出[11]，隨著其發(fā)展完善已作為計算模塊嵌入一些商用CFD 軟件，近年來逐步應(yīng)用于模擬工程實際中的運(yùn)動邊界問題，如飛機(jī)水上降落[12]、物體入水[13]、多部件飛行器氣動分析[14]等。本研究采用重疊網(wǎng)格技術(shù)對計算域進(jìn)行離散，實現(xiàn)圍堰下沉各個階段的快速建模分析，河道水流中的圍堰繞流場求解在基于有限體積法的計算流體動力學(xué)軟件FLUENT 平臺上進(jìn)行[15-17]。重疊網(wǎng)格建模與常規(guī)計算中僅需一套固定網(wǎng)格的建模有所不同，其需準(zhǔn)備前景網(wǎng)格和背景網(wǎng)格兩套網(wǎng)格，為減少計算誤差，兩套網(wǎng)格在空間重疊區(qū)的尺寸應(yīng)盡量保持一致[18-20]。重疊網(wǎng)格可實現(xiàn)傳統(tǒng)動網(wǎng)格功能，不必?fù)?dān)心出現(xiàn)負(fù)體積，還可對復(fù)雜模型進(jìn)行拆分，分別布置于前景網(wǎng)格及背景網(wǎng)格中，方便物面網(wǎng)格的結(jié)構(gòu)化劃分，降低數(shù)值模型的空間離散誤差。

在數(shù)值模擬過程中，河床橫斷面地形起伏不容忽視，由于缺乏天然河道上下游地理高程數(shù)據(jù)，此處以設(shè)計水位條件下圍堰工程位置所在的河道過流斷面為幾何建?；久?，沿法向水平拉伸成體建立計算域。為降低計算域邊界條件的不利干擾，計算域上游入流面距離圍堰約20D，下游出流面距離圍堰約60D，流場最大水深約為19 m，如圖1b 所示。

將包含19 個定位鋼護(hù)筒的河道整體流體域劃分網(wǎng)格并作為背景網(wǎng)格，將僅單獨包含鋼圍堰的局部水體區(qū)域劃分網(wǎng)格并作為前景網(wǎng)格。計算域采用高質(zhì)量六面體網(wǎng)格進(jìn)行空間離散，并對圍堰下放區(qū)域內(nèi)進(jìn)行網(wǎng)格加密布置，對異形圍堰、護(hù)筒及河床表面鋪設(shè)邊界層網(wǎng)格以期更準(zhǔn)確地捕捉壁面力，在距離圍堰較遠(yuǎn)區(qū)域采用較稀疏的網(wǎng)格布置以節(jié)約計算資源。

圖2 為前景網(wǎng)格與背景網(wǎng)格在FLUENT 軟件內(nèi)的裝配情況，數(shù)值模型網(wǎng)格總數(shù)量約170 萬。

圖2 計算域重疊網(wǎng)格劃分Fig.2 Overlap meshing of computational domain

2.3 邊界條件及模型參數(shù)設(shè)置

出于簡化問題的考慮，河道圍堰繞流流場模擬中忽略波浪和雍水的影響，對河流自由水面采用動剛蓋假設(shè)[21-23]，設(shè)置為對稱邊界條件。圍堰表面、河床壁面及護(hù)筒壁面，均為無滑移壁面。計算域下游出流邊界為壓力出口，上游入流邊界為速度入口。由于缺乏河道比降和河床壁面粗糙度等基本參數(shù)，無法確定天然河道的流速分布，本研究將入流邊界處簡要考慮為均勻入流。采用定常計算，數(shù)值迭代步數(shù)為3 000，壓強(qiáng)和速度求解算法為Coupled。在FLUENT 軟件耦合計算中，Courant 數(shù)描述時間步長與空間步長的相對關(guān)系，合理設(shè)置Courant 數(shù)可以在保證求解穩(wěn)定的前提下加速收斂，本研究經(jīng)過試算，將Courant 數(shù)取為50，這樣可兼顧效率和穩(wěn)定。

數(shù)值模擬在兩臺具有16 核心CPU 主頻3.8 GHz，內(nèi)存48 GB 的計算工作站上進(jìn)行。研究工況包括無圍堰及圍堰下沉至2，4，6，8，10，12，14 和16 m 共8 個典型入水深度情況；河道上游來流分別考慮4.5，5.0 和5.5 m/s 共3 個流速，總計27 個計算工況。

3 結(jié)果分析

3.1 圍堰水流力

側(cè)向力系數(shù)與阻力系數(shù)是對圍堰所受水流作用力的無因次化，三維情況下，側(cè)向力與阻力系數(shù)定義為

式中：

Cl側(cè)向力系數(shù)，無因次；

L側(cè)向力，N；

Q動壓，Pa；

S參考面積，此處取圍堰入水部分順流向投影面積，m2；

Cd阻力系數(shù)，無因次；

D′阻力，N。

圖3 所示為計算所得圍堰水流力（阻力和側(cè)向力）及其系數(shù)。

圖3 圍堰水流力Fig.3 Flow forces on cofferdam

從圖3 可以看出，改變來流流速對無因次化的側(cè)向力系數(shù)及阻力系數(shù)幾乎無影響。圍堰在入水深度0～8 m 的側(cè)向力系數(shù)及阻力系數(shù)變化顯著，這與圍堰高低刃腳對應(yīng)的異形區(qū)段高度吻合，異形區(qū)段圍堰復(fù)雜幾何外形在不同入水深度情況下對應(yīng)著阻水面積非常規(guī)變化。因近河床區(qū)域流速較河面相對更低，在圍堰接近觸底時，其阻力和側(cè)向力隨入水深度增加均有變緩趨勢。

同一深度條件下，圍堰側(cè)向力與阻力系數(shù)幾乎不因流速變化而變化。側(cè)向力及阻力隨流速增大而增大，入水深度越大，這一現(xiàn)象越明顯。在同一來流流速條件下，CFD 計算的圍堰阻力隨入水深度增加而增大。

3.2 圍堰表面壓強(qiáng)及周圍流場跡線

河道來流為5 m/s 時，4 個典型工況下護(hù)筒與圍堰表面壓強(qiáng)分布及周圍流場跡線見圖4。

圖4 圍堰表面壓強(qiáng)及跡線分布Fig.4 Pressure and trace distribution of cofferdam body

其中，無圍堰工況及圍堰入水16 m 工況是施工過程中持續(xù)時間最長的兩個階段。圍堰下放初期，護(hù)筒為該施工區(qū)域主要的障礙物，流體因護(hù)筒存在而發(fā)生局部加速。隨圍堰下放深度增加，作用于迎流面護(hù)筒表面最大正壓區(qū)逐漸下移。在迎流面圍堰底部護(hù)筒區(qū)域，河道水體受護(hù)筒與圍堰約束作用，產(chǎn)生上切水流，這部分水流易造成護(hù)筒內(nèi)部水體涌動；堰尾區(qū)域存在兩個大尺度漩渦，深水側(cè)堰尾漩渦區(qū)較為明顯，且遠(yuǎn)大于近岸側(cè)漩渦，漩渦區(qū)域內(nèi)平均流速均遠(yuǎn)小于圍堰上游來流流速。

3.3 壓強(qiáng)與速度分布

取圍堰入水深度12 和16 m（觸底）兩個典型工況，圍堰觸底后內(nèi)部區(qū)域不再計入流體域，水面以下2，6 和10 m 圍堰周邊流速及壓強(qiáng)水平切片見，如圖5、圖6 所示。圍堰附近水流存在局部加速，其最大速度出現(xiàn)在圍堰兩側(cè)，河心側(cè)流速受圍堰影響明顯大于近岸側(cè)，該加速效應(yīng)沿流向逐漸減弱，且水體越深的區(qū)域加速效應(yīng)越弱；最大正壓區(qū)域出現(xiàn)在圍堰迎流側(cè)，圍堰觸底工況中可明顯觀察到最大負(fù)壓在圍堰河心側(cè)。

圖5 速度和壓強(qiáng)分布（入水深度12 m）Fig.5 Velocity and pressure（underwater 12 m）

圖6 速度和壓強(qiáng)分布（入水深度16 m）Fig.6 Velocity and pressure（underwater 16 m）

3.4 圍堰內(nèi)外湍流強(qiáng)度

以河道來流5 m/s 流速為例，繪制圍堰周邊及內(nèi)部湍流強(qiáng)度分布（圖7）。圍堰附近湍流強(qiáng)度高于遠(yuǎn)離圍堰的河道主流區(qū)，湍流強(qiáng)度在圍堰內(nèi)部及兩側(cè)底部存在較大變化。最大湍流強(qiáng)度出現(xiàn)在堰尾區(qū)域，沿河道流向逐漸減小，且深度遞增呈減弱趨勢。

圖7 湍流強(qiáng)度分布（圍堰入水12 m 及16 m）Fig.7 The turbulence intensity（underwater penetration 12 m and 16 m）

圍堰入水16 m 時堰尾最大湍流強(qiáng)度較圍堰入水12 m 時大幅增強(qiáng)，原因可能在于堰下水流通道封閉，主流對堰尾大尺度旋渦的能量輸入增強(qiáng)，該特征對河床底面沖刷存在不利影響，施工時應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)控。

4 結(jié)論

（1）重疊網(wǎng)格的使用，使得復(fù)雜模型生成結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格更為簡單，一套網(wǎng)格可進(jìn)行多個工況模擬，提高了建模效率和物面網(wǎng)格質(zhì)量。

（2）受護(hù)筒及河床影響，高低刃腳異形鋼圍堰兩側(cè)流速呈不對稱分布，深水側(cè)速度出現(xiàn)大面積加速，且隨水深的增加流速逐漸降低。

（3）湍流強(qiáng)度最大區(qū)域出現(xiàn)在堰尾漩渦區(qū)，其強(qiáng)度值受順流向位置及深度影響。

（4）圍堰側(cè)向力系數(shù)與阻力系數(shù)對河道來流流速不敏感。