趙諳笛，康文剛，孫鵬翔

（新疆建設職業(yè)技術(shù)學院，新疆烏魯木齊 830054）

0 引言

當前，國內(nèi)外學者已對墩柱遭水流沖刷破壞的現(xiàn)象提出了多種防護方法，常見的防護措施有拋石防護法、擴大基礎法、減沖樁防護等，每種防護措施各具優(yōu)缺點。本文利用計算流體軟件FLOW3D 模擬了光圓墩柱、開圓孔墩柱周圍的泥沙運動情況，對比分析了兩者在定床條件下、均勻來流中，墩柱前、后沖深值的實時變化狀況及沖刷坑范圍的改變情況，證明了墩柱開圓孔具有良好的局部沖刷防護效果，為拓展墩柱局部沖刷防護方法的研究工作奠定了理論基礎。

1 模型驗證

1.1 模型建立

為驗證泥沙模型的準確性，需要設置驗證組進行參照和對比；本試驗在驗證組可靠的基礎上，進一步開展墩柱開圓形孔對局部沖刷深度和沖刷坑范圍影響的研究，以確保論證結(jié)果的有效性?，F(xiàn)列出本文所有算例，如表1所示。

表1 動床模擬試驗組別

其中，Test1 為驗證組。驗證組采用Roulund[1]于2005 年已完成的墩柱周圍局部沖刷物理試驗，數(shù)值模型中選取的細微參數(shù)力求與物理試驗所用的宏觀參數(shù)一致，其他主要參數(shù)的選定為：水深h為40cm，平均來流流速V為46cm/s，墩柱直徑D為10cm，泥沙中值粒徑d50 為0.26mm，泥沙休止角￠為32°，泥沙密度為2.65g/cm3。

由“珠江黃埔大橋橋墩沖刷局部動床模型試驗研究”[2]中的實測數(shù)據(jù)可以看出，墩柱前側(cè)的沖刷寬度最大值為沖深值的2倍；左右兩側(cè)墩柱的沖刷寬度約為沖深值的5 倍，扣除墩柱直徑D，考慮留有模擬富余情況，Test2中模型沙的尺寸為長×寬×厚=4D×8D×35cm。

1.2 驗證結(jié)果討論

現(xiàn)有研究表明，沖刷深度隨時間的推移而發(fā)展，墩前后2 倍墩徑范圍內(nèi)沖刷較明顯，橫斷面沖刷約在4倍墩徑范圍內(nèi)[3]。墩前沖刷深度始于馬蹄形渦流和下降水流，且墩前沖深大于墩后。隨著馬蹄形渦流和下降水流強度的減弱，沖刷深度的發(fā)展速度逐漸減小，直至床面達到?jīng)_淤平衡，此時的沖刷坑深度稱為平衡沖刷深度。沖刷深度經(jīng)過與Roulund 的測量試驗結(jié)果對比，可知：墩前局部沖刷深度和趨勢大致相同，墩后模擬精度與實測值有所偏差。當x/D∈-2D—2D范圍內(nèi)，沖刷深度較明顯，墩后沖刷深度值與實測值偏差較大，沖刷值也低，且易達到?jīng)_刷平衡。

因泥沙運動極為復雜，目前國內(nèi)外對泥沙的研究還尚未成熟，多數(shù)公式尚屬于半經(jīng)驗半理論公式；數(shù)值模擬中泥沙模型的鋪設、懸沙濃度的選取均與驗證組物理試驗的實際值有差別；軟件中泥沙紊動模型的局限性以及網(wǎng)格劃分所致截取計算數(shù)據(jù)的限制性，導致驗證組墩后數(shù)值模擬結(jié)果出現(xiàn)偏差。但Test2 和Test3均屬勻質(zhì)定床模擬，可消除懸移質(zhì)的影響，數(shù)值模擬結(jié)果將更趨近于物理試驗結(jié)果。加之二者屬于同等條件下的數(shù)值模擬對比組，其對比結(jié)果不影響本次研究的結(jié)論。

2 開圓孔、不開孔墩柱局部沖刷模型建立

由驗證組Test1 的模擬結(jié)果可知，驗證組結(jié)果能滿足泥沙運動研究的準確性，說明泥沙模型中邊界條件的選取、物理參數(shù)的確定以及網(wǎng)格劃分較合理。Test2中泥沙模型的主要參數(shù)選擇，在Test1 的基礎上稍作改變：墩柱周圍垂直面上邊界層厚度為40cm，泥沙沉降速度W為0.12cm/s。河床泥沙的起動流速V0為0.351m/s[4]，墩柱局部沖刷的始沖流速為0.116m/s。因為平均來流流速V為0.326 m/s，大于墩柱局部沖刷的始沖流速且小于河床泥沙的起動流速V0，可知在計算條件下，河床泥沙未發(fā)生起動，屬定床沖刷。

3 計算結(jié)果對比分析

最大沖深、沖刷坑范圍與達到相同沖深所需時間是評定局部沖刷嚴重程度的三大主要因素。本文主要研究在相同條件下，與光圓墩柱相比，墩柱近床面開圓形孔后，墩前后最大沖刷深度的實時變化以及墩周沖刷坑范圍發(fā)展形態(tài)的改變狀況，以證明墩柱開圓孔作為局部沖刷防護措施的有效性。

3.1 墩前最大沖深隨時間的變化

墩前最大沖深值h隨時間t的改變圖示，如圖1所示。

圖1 開孔、不開孔墩前最大沖深隨t的變化

圖1中，虛線為不開孔墩墩前最大沖刷深度隨時間的改變。由圖1 可知，墩前沖深在35s 之前呈逐漸上升趨勢，其后持續(xù)很長一段時間內(nèi)，在略低于最大沖刷平衡深度位置波動著發(fā)展下去。本組模型屬大尺度模擬，相對水深較大?？紤]水深對沖刷的影響受到墩寬的制約，研究人員在“大橋施工平臺樁腿局部沖刷”的試驗中做了幾組大水深的資料，整理出局部沖刷深度（hb）與相對水深（h/b）的關(guān)系圖。當h/b=2.5，v=32.6 cm/s 時，按此關(guān)系圖，對應的局部沖刷深度（hb）約為13.20cm。本次模擬墩前最大沖刷深度為13.10cm，與經(jīng)驗值極為接近。

對于定床（清水）沖刷，行進流速與泥沙起動流速的比值（v/v0）越接近于1.0，達到?jīng)_刷平衡所需要時間越長[5]。圖中兩條曲線結(jié)果與理論闡述遙相呼應：局部沖刷開始后很長一段時間，沖深在略低于最大沖刷平衡深度位置波動著發(fā)展直至平衡。

墩前近床處有馬蹄形渦流存在，產(chǎn)生原因是下降水流與河槽水流方向相互影響結(jié)合后，沿結(jié)構(gòu)物周圍形成三維渦帶，因渦帶狀如馬蹄，又稱為馬蹄形渦流，墩前水流豎向斷面下降水流趨勢明顯，墩后流動穩(wěn)定性差，湍流動能較大；采取開孔措施后，墩前馬蹄形渦流消失，下降水流也有所削減，墩后流速方向整體比較平穩(wěn)，水流流動穩(wěn)定性較好，湍流動能小。近床面墩柱開孔后，墩前馬蹄形渦流勢必有所減小或消除，墩前豎向流速將顯著降低并削弱墩后湍流能量。由此推測，開孔后墩前最大沖深也將降低。

圖1中，實線為墩柱底部開孔后，墩前最大沖刷深度隨時間的變化曲線。與虛線對比可知：二者達到?jīng)_刷平衡所需時間相差無幾，但開孔后，沖刷深度隨時間變化增加緩慢，尤其是運行17s 后，沖刷深度隨時間變化微小，處于穩(wěn)定狀態(tài)。此刻對應的墩前沖深值和平衡沖深值極為接近，而圓墩柱沖刷深度于沖刷中期仍有迅速上升的趨勢。

定床模型（純水流）試驗條件下，墩柱繞流時，水流垂直方向的流速分布從水面向下逐漸遞減，速度水頭也由上向下遞減。據(jù)能量平衡原理，壓力水頭向下增大，位置水頭向下遞減，墩柱迎水面會因壓力梯度的改變形成一股強勁的下降水流，此水流對墩柱周圍局部沖刷的影響很大。近床面開孔后，墩前迎水面中心處豎向水流速度明顯降低。由大量文獻資料可知，墩柱周圍最大沖深往往發(fā)生在墩前迎水面中心處。同時，沖刷深度產(chǎn)生的主要因素之一為下沖水流，尤其是近床面位置處的下沖水流。因此，動床模型試驗中，墩柱開孔后墩前最大沖深值也將大幅度降低：墩前因下降水流的存在，沖深較大，最高可達13.1cm，開孔后最大沖深值為8.6cm，降低了34.35%。由此可知，墩柱近床面開圓孔能大幅度降低墩前河床最大沖深值，確保墩臺基礎的安全。

3.2 墩后最大沖深值隨時間的變化

墩后最大沖深值h隨時間t的改變見圖2。

圖2 開孔、不開孔墩后最大沖深隨t的變化

圖2中，實線與虛線分別表示開孔、不開孔墩柱墩后最大沖深隨時間的變曲線。沖刷起始階段，開孔墩墩后沖深較大，其原因為孔內(nèi)水流保有與初始流速接近的速度，當孔前水流保持近初始流速穿過圓孔時，表現(xiàn)為較大流速，受壓力影響產(chǎn)生下降水流，此下降水流又與尾流、渦流相互干擾產(chǎn)生其他渦流系統(tǒng)，增大了開孔出口附近水流的紊動強度，進而產(chǎn)生較大沖深；無孔墩縱向?qū)ΨQ中線線處，因墩柱的阻隔，水流將發(fā)生繞流現(xiàn)象，因此，無孔墩柱縱向中心線處的沖刷并不明顯。隨沖刷過程的發(fā)展，開孔墩墩后的尾流渦流和馬蹄形渦流發(fā)生紊亂，水流強度有所削弱。因此，開孔墩墩后的最大沖深值低于不開孔墩。以沖深值作為分析依據(jù)，實施開孔措施后，墩后最大沖深由8.69cm降至6.16cm，降低了29.11%。

3.3 墩周沖刷范圍

分析局部沖刷達到平衡時墩周沖刷坑的地形狀況是本文的主要工作之一。圓柱墩墩前因下降水流的存在，沖深遠大于墩后。與此同時，尾跡渦流系統(tǒng)產(chǎn)生的低壓中心可將墩后泥沙顆粒帶起，導致圓柱墩墩后沖刷范圍大于墩前；墩前遠離墩柱處出現(xiàn)沖刷系水流經(jīng)非泥沙模塊過渡至泥沙模塊，系邊界條件發(fā)生改變產(chǎn)生的沖刷。經(jīng)模擬數(shù)據(jù)結(jié)果分析可知，圓柱墩的沖刷范圍及深度遠大于墩柱底部開3孔后墩周局部沖刷程度，說明光圓墩柱的沖刷坑體積遠大于圓形開孔墩的沖刷坑體積。

綜上分析，開孔措施能較大程度減少局部沖刷的范圍與沖刷深度，說明了近床面墩柱開圓孔局部沖刷防護的有效性。

4 結(jié)論

（1）本研究利用FLOW3D 中的水動力泥沙輸移模型，建立了三維流場沖刷數(shù)學模型，模擬了穩(wěn)定流中光圓墩柱置于一定厚度的泥沙之中，其周圍流體的運動特點及墩柱周圍的局部沖刷形態(tài)，并將模擬結(jié)果與Roulund 于2005 年已完成的墩柱周圍局部沖刷物理試驗結(jié)果進行對比驗證。驗證組結(jié)果能夠滿足泥沙運動研究的準確度，表明本泥沙模型中邊界條件的選取、物理參數(shù)的確定以及網(wǎng)格劃分的合理性。

（2）本研究模擬并對比分析了光圓墩柱、開圓孔墩柱在定床條件下、均勻來流中，墩柱前、后沖深值的實時變化狀況以及沖刷坑范圍的改變情況，發(fā)現(xiàn)開孔能夠有效降低最大沖深并減少沖刷坑范圍，起到防沖的作用，從而證明了墩柱開圓孔具有良好的局部沖刷防護效果。