摘要 為研究水流作用下圓柱橋墩的局部沖刷特性，以RANS方程作為控制方程，運(yùn)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件Flow-3D建立了考慮邊界層效應(yīng)的三維數(shù)值沖刷精細(xì)化分析數(shù)值模型，并根據(jù)前人試驗(yàn)驗(yàn)證了數(shù)值模型的準(zhǔn)確性。通過精細(xì)化數(shù)值模擬，對(duì)考慮護(hù)圈主動(dòng)防護(hù)的圓柱橋墩局部沖刷進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，主動(dòng)防護(hù)護(hù)圈防護(hù)效果較好，可為實(shí)際工程中同類圓柱橋墩的沖刷防護(hù)提供借鑒與參考。

關(guān)鍵詞 橋墩；局部沖刷；護(hù)圈；主動(dòng)防護(hù)

中圖分類號(hào) U443.86 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A

工程結(jié)構(gòu)工程結(jié)構(gòu)

0引言

近年來，大量的跨江、跨海橋梁在世界范圍內(nèi)建設(shè)。與陸地橋梁不同，水流會(huì)從橋梁墩臺(tái)和基礎(chǔ)等周圍淘掘并帶走泥沙，形成局部沖刷侵襲，進(jìn)而改變結(jié)構(gòu)的固有頻率，降低地基的側(cè)向承載力，甚至造成橋梁結(jié)構(gòu)破壞［1-2］。20世紀(jì)90年代至21世紀(jì)初，我國橋梁水毀造成的直接和間接經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)100億元［3］。可見橋梁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)沖刷是造成橋梁結(jié)構(gòu)功能失效、喪失其安全性能的最主要原因之一［4］，已成為涉水橋梁安全的重大威脅［5］。橋梁沖刷危害不僅會(huì)產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)上的損失，也會(huì)造成人員上的傷亡，橋墩沖刷機(jī)理和沖刷防護(hù)措施越發(fā)引起研究學(xué)者的關(guān)注。

沖刷是一種隨諸多因素變化的動(dòng)態(tài)現(xiàn)象，其機(jī)理十分復(fù)雜，并且隨著影響因素的改變表現(xiàn)出不同的沖刷特性［6］。目前研究水流作用下結(jié)構(gòu)沖刷特性的研究方法主要分2類：一是現(xiàn)場和水槽試驗(yàn)［7］；二是計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）模擬［8］。隨著近年來計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力的提升，數(shù)值模擬耗時(shí)少、費(fèi)用低廉并可以細(xì)致地觀察流場及沖刷形態(tài)，越來越為廣大學(xué)者接受。

近年來，橋墩的局部沖刷防護(hù)受到大量學(xué)者的關(guān)注，通過減小沖刷水流的原動(dòng)力，許多學(xué)者相繼提出不同的沖刷主動(dòng)防護(hù)對(duì)策，如墩前犧牲樁、護(hù)圈和橋墩開縫等［7，9］。護(hù)圈由于其施工難度低和造價(jià)低的優(yōu)點(diǎn)，成為橋墩防局部沖刷的首選。然而，目前針對(duì)護(hù)圈沖刷防護(hù)機(jī)理以及減沖效應(yīng)的研究較少，護(hù)圈在實(shí)際工程中的沖刷防護(hù)效果還有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

因此，本文基于不可壓縮粘性流體理論建立沖刷數(shù)學(xué)模型，以RANS方程作為控制方程，在確保軟件的準(zhǔn)確性和可行性基礎(chǔ)上，開展有無護(hù)圈2種工況下的圓柱橋墩局部沖刷數(shù)值模擬，分析了護(hù)圈對(duì)水流作用下圓柱橋墩局部沖刷的主動(dòng)防護(hù)效應(yīng)，并通過墩周流場分析揭示了護(hù)圈的沖刷防護(hù)機(jī)理。

1數(shù)值計(jì)算理論基礎(chǔ)

1.1基本控制方程

1.2湍流模型

1.3泥沙運(yùn)動(dòng)模型

2數(shù)值模型

2.1數(shù)值模擬流程

本文數(shù)值模擬主要內(nèi)容包括：①建立數(shù)值水槽模型，確定合理的計(jì)算網(wǎng)格劃分方案；②基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證數(shù)值模型的準(zhǔn)確性和可靠性；③開展圓柱橋墩局部沖刷數(shù)值模擬，對(duì)考慮護(hù)圈主動(dòng)防護(hù)的橋墩局部沖刷防護(hù)效果進(jìn)行分析。

2.2邊界條件和網(wǎng)格劃分

在Flow-3D軟件中，直接建立無地形的橋墩局部沖刷數(shù)值模型。X方向（水流方向）的計(jì)算長度取40m，Y方向（水流橫截面）的計(jì)算長度取18m；Z方向取5m高度作為正常水位下的沖刷模型，其中有2m作為河床泥沙的高度。橋墩外徑2m，位于數(shù)值模型的正中間。正常水位下水槽的沖刷數(shù)值模型如圖1所示。

無地形沖刷數(shù)值模型的湍流模型為RNGk-ε模型，邊界條件除河道側(cè)面采用對(duì)稱邊界（Symmetry）外，其余的邊界均一致。網(wǎng)格在X-Y上采用均一網(wǎng)格，可提高計(jì)算精度，在Z方向進(jìn)行加密，也采用均一尺寸的網(wǎng)格大小，真實(shí)模擬非山區(qū)地形下的典型橋墩沖刷問題。

本文預(yù)設(shè)了3種不同的Z方向網(wǎng)格大小，分別為0.125m、0.15m和0.2m，以探討不同的Z網(wǎng)格大小對(duì)最大沖刷深度和范圍的影響狀況。表1分別給出了3種網(wǎng)格大小下的最大沖刷深度計(jì)算結(jié)果，從表中可以看出，在不同網(wǎng)格作用下，最大沖刷深度不一致，但相差較小?？紤]到模擬的計(jì)算效率和精度，本文在Z方向采用0.125m的網(wǎng)格大小。

如圖2所示，針對(duì)非山區(qū)地形下的橋墩沖刷，X方向和Y方向的網(wǎng)格大小相同，均為0.2m。為了精確捕捉到泥沙的沖刷深度和堆積高度，Z方向的網(wǎng)格相對(duì)于X、Y方向來說，進(jìn)行了加密，網(wǎng)格大小為0.125m。

3有無護(hù)圈時(shí)橋墩局部沖刷數(shù)值模擬

在實(shí)際工程中，可以通過在河床高程附近增設(shè)底板或者護(hù)圈等，減小沖刷水流的原動(dòng)力來提高橋墩抗沖刷性能，這種“減沖”的防護(hù)方式即主動(dòng)防護(hù)。比較典型的方法有墩前犧牲樁、護(hù)圈、環(huán)翼式橋墩、護(hù)殼、橋墩開縫和下游石板等防護(hù)措施。墩前犧牲樁方法容易受到水流方向變化的影響，當(dāng)水流變化達(dá)到一定程度時(shí)，可能徹底失去防護(hù)作用；下游石板防護(hù)方案也易受河流和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的影響，在較大的河流狀態(tài)下易導(dǎo)致防護(hù)措施結(jié)構(gòu)失效，起不到防護(hù)措施的作用；此外，由于水流的急速性和方向不確定性，會(huì)導(dǎo)致環(huán)翼式橋墩的防護(hù)效果大打折扣，也會(huì)受到上游卵石的撞擊，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。綜上所述，本文主要針對(duì)防沖刷護(hù)圈方案進(jìn)行沖刷防護(hù)效果分析。

針對(duì)某高速公路圓形橋墩（外徑取2m），本文采用防沖刷護(hù)圈方案，對(duì)橋墩局部沖刷進(jìn)行數(shù)值模擬。在流速0.842m/s、水深5.565m的單墩沖刷數(shù)值模擬基礎(chǔ)上，驗(yàn)證護(hù)圈在數(shù)值模型中的可行性。在Flow-3D軟件中，取2.5倍橋墩外徑護(hù)圈，護(hù)圈高度恰好位于泥沙上進(jìn)行數(shù)值模擬，計(jì)算域和網(wǎng)格劃分與圖3中水槽沖刷模型一致，選取的泥沙粒徑為0.328mm，防沖刷護(hù)圈數(shù)值模型如圖3所示。

考慮到計(jì)算工作量，本文針對(duì)護(hù)圈沖刷模擬只模擬40min。有無防沖刷護(hù)圈數(shù)值模擬2400s沖刷形態(tài)如圖4所示，有無防沖刷護(hù)圈數(shù)值模擬最大沖刷深度變化情況如圖5所示。對(duì)比無護(hù)圈組的沖刷，有護(hù)圈沖刷在2400s時(shí)刻的最大沖刷深度為0.229m，僅為無護(hù)圈最大沖刷深度的33%，有效的減少了沖刷的發(fā)生，最大沖刷深度發(fā)生在橋墩中后方護(hù)圈邊緣位置處。結(jié)果表明防沖刷護(hù)圈的防護(hù)效果較好，該數(shù)值模擬結(jié)果可為圓柱橋墩的沖刷防護(hù)提供參考。

圖6給出了橋墩有無防沖刷護(hù)圈的流場形態(tài)，由圖6可知，來流對(duì)于橋墩周圍的河床造成沖刷的最主要原因之一是下潛水流，下潛水流在沖刷坑中會(huì)形成馬蹄渦，從而導(dǎo)致沖刷深度的加劇。防沖刷護(hù)圈屬于防護(hù)措施的主動(dòng)防護(hù)，其目的是在影響墩前的前進(jìn)水流，干擾來流作用，本文所分析的防沖刷護(hù)圈為其完整繞墩一周的裝置，恰好位于河床上，其主要削弱了下潛水流的強(qiáng)度，從而削弱漩渦掏蝕與降低搬運(yùn)河床顆泥沙粒的能力，進(jìn)而減少?zèng)_刷，達(dá)到?jīng)_刷防護(hù)的目的。

4結(jié)論

本文采用CFD數(shù)值模型手段，詳細(xì)闡述了流-固-土耦合模型的基本控制方程、湍流模型和泥沙沖刷模型等數(shù)值模擬方法，建立了合理的數(shù)值模型和網(wǎng)格劃分方案，對(duì)橋墩局部沖刷特性開展了系統(tǒng)性的數(shù)值模擬研究，分析了護(hù)圈對(duì)水流作用下圓柱橋墩局部沖刷的主動(dòng)防護(hù)效應(yīng)，揭示了護(hù)圈的沖刷防護(hù)機(jī)理，最終得到主要結(jié)論：

（1）提出了一個(gè)考慮邊界層效應(yīng)的沖刷模擬數(shù)值框架，依據(jù)嚴(yán)格的數(shù)值模擬流程，得到與試驗(yàn)結(jié)果一致的斷面流速分布情況，對(duì)比單墩試驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)數(shù)值模擬結(jié)果中的墩周流場和最大沖刷深度與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好。

（2）數(shù)值模擬結(jié)果表明，最大沖刷深度發(fā)生在橋墩中后方護(hù)圈邊緣位置處，有護(hù)圈沖刷在40min時(shí)的最大沖刷深度僅為無護(hù)圈沖刷的33%。

（3）通過流場分析可知，下潛水流是造成橋墩周圍河床沖刷的主要原因之一，在沖刷坑中會(huì)形成馬蹄渦，從而導(dǎo)致沖刷深度的加深。而護(hù)圈可以削弱下潛水流的強(qiáng)度以及漩渦的掏蝕能力，這是其沖刷防護(hù)的主要機(jī)理。

本文所分析的主動(dòng)防護(hù)護(hù)圈對(duì)橋墩局部沖刷有較好的防護(hù)效果，有效減小了橋墩沖刷深度和沖刷坑范圍，可為實(shí)際工程中同類橋墩的沖刷防護(hù)提供參考。

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