桥墩与下游潜坝局部冲刷相互影响研究

孙 贺，孟云祥，胡志毅，蒋 涛

西北农林科技大学水利与建筑工程学院，陕西 咸阳 712100

桥墩局部冲刷研究主要包括三个方面，即研究冲刷诱因机理（如研究桥墩周围复杂涡系），研究局部冲刷平衡冲刷深度影响因素，预测冲刷坑演变过程和局部冲刷坑形态及深度，以指导工程实践[1]。我国学者易仁彦等[2]统计分析了2000年至2014年在我国发生的179起非地震原因导致的桥梁坍塌事故的原因，发现运营期发生事故的情况最多（占59%），其中32.78%是因为洪水冲刷和侵蚀破坏了桥墩或桥台基础的稳定。

管大为等[3]对潜坝研究进展进行了整理分类，同时说明对于潜坝冲刷的数值模拟研究较少。田艳[4]以巨亭水电站为研究对象，利用数值模拟获取过水断面的相关参数，将结果与模型试验进行对比，数值模拟与试验结果符合。为了研究泥沙起动、输移对冲刷的影响，程烨[5]进行了流场和冲刷的模拟，所得结果与实际工程较为符合。

目前相关规范中也尚未有针对跨河桥梁与潜坝间距的明确规定，因此针对桥墩与潜坝局部冲刷的研究极其重要。

1 研究方法

此次数值模拟以Wang等[6]所用的水槽试验模型为原型，水槽模型试验参数如表1所示，模型计算域范围如图1所示。计算域上、下游边界以不干扰桥墩与潜坝上下游紊流发展为界，以两侧壁面边界对圆柱绕流无影响为原则，取定计算域总长度为365cm，约76D（D为桥墩直径）；宽度为44cm，约9D；高度为42cm，约8.75D。其中进口边界位于桥墩上游222cm（46.25D）处，出口边界位于桥墩下游143cm（以桥墩中心为基准）处，上下游河床均设置为动床，床沙层厚度为11cm（2.3D），桥墩边壁至潜坝边壁间的距离为L。

图1 模型试验布置图

表1 Wang试验模型相关参数

边界条件设置如图2所示，数值计算边界条件如下：（1）进口采用速度进口（specified velocity），进口流速v=33.1cm/s；（2）出口采用压力出口（specified pressure），控制下游尾水水位为15cm；（3）对于水槽边壁、底部，因为水流的作用，不会使其变形或者产生位移，设置为墙壁（Wall)；（4）由于网格顶部触及空气，采用压力边界条件，边界压力为标准大气压强（specified pressure=0）。

图2 边界条件设置

2 数值模拟计算结果验证

将数值模拟结果与Wang冲刷试验资料进行比较分析，从水流流态及冲刷坑形态验证两方面验证数值模拟的正确性。

2.1 水流流态验证

将桥墩绕流冲刷数值模拟结果与Wang经典冲刷试验桥墩所在横剖面水面线进行对比，对比图如图3所示，试验与数值模拟中，在桥墩两侧，水面均有由两侧向桥墩边缘下倾的趋势，这与试验结果相一致。

图3 桥墩中心横剖面水面线图对比图（单位：m）

2.2 冲刷坑形态验证

冲刷坑形态对比图如图4所示。由图4对比Wang物理模型试验观测的桥墩前局部冲刷坑形态与数学模型计算结果发现，数值计算与物理模型试验的冲坑形态吻合较好。冲刷坑的高程分布规律基本一致，计算所得的最大冲刷深度为5.5cm，位于桥墩迎流面两侧约45°范围内。对比模型试验最大冲刷深度为5.8cm，相对误差为5%，最大冲刷深度对比验证表如表2所示。

图4 冲刷坑形态对比图（单位：cm）

表2 最大冲刷深度对比验证表 单位：cm

综上所述，数学模型中的流场计算结果能较好地与文献资料数据相吻合，得到了合理的数值解，能够较好地反映出桥墩周围局部冲刷的形态以及预测最大冲刷深度，故该数学模型的网格和数值方法能够满足数值计算要求。

3 不同工况下数值模拟结果分析

就不同桥墩与潜坝间距、潜坝高出河床面高度对桥墩与潜坝冲刷相互影响分别进行计算。参考相关研究的物理模型试验工况结果，取水流流量为Q=22L/s进行清水冲刷计算，桥墩-潜坝间距为0、1D、2D、3D、4D、6D（潜坝高于河床3cm）和桥墩-潜坝间距为2D情况下，潜坝高于河床高度1.8cm、3.0cm、4.2cm作为工况对比，数学模型中的具体计算工况和参数如表3所示。

表3 数学模型试验工况参数表

桥墩与潜坝最大局部冲刷深度与两者间距的关系如图5所示。由图5可见，当L=0.7D时，桥墩与潜坝的最大冲刷深度基本相等，此时可认为既考虑了桥墩周围冲刷防护作用，又兼顾了潜坝的防护作用。

图5 桥墩与潜坝最大局部冲刷深度随两者间距的变化规律

4 潜坝高度对冲刷规律的影响

不同坝高桥墩冲刷坑最大冲刷深度历时曲线如图6所示。从图6可以看出，随着桥墩下游潜坝露出河床面高度的增加，桥墩周围的局部冲刷减小，这是因为增加坝高坝前壅水增高，减小了桥墩周围局部水面比降，降低了桥墩附近流速，从而使桥墩周围冲刷减小。另外值得注意的是，随着坝高的增加，桥墩冲刷坑后方的沙脊更加明显，这是由于潜坝对桥墩绕流尾涡交替脱落的干扰引起的，坝高越高，隔流阻断作用更强。

图6 不同坝高桥墩冲刷坑最大冲刷深度历时曲线

不同坝高潜坝下游冲刷坑最大冲刷深度历时曲线如图7所示。从图7可以看出，随着桥墩下游潜坝露出河床面高度的增加，潜坝下游局部冲刷规律影响并非线性变化。由前文分析可知，对于清水冲刷，潜坝的冲刷是由越过坝头的自由跌水冲击下游河床表面而引发。在上游存在桥墩且距离较近时，桥墩绕流的紊动作用会使潜坝下游冲刷加剧。当潜坝高于河床面高度较小时，限制桥墩绕流效果不明显，坝前水流容易越过坝头且桥墩绕流直接作用于坝下河床，两者叠加使得在H=1.8cm时的潜坝下游冲刷强度高于H=3.0cm的情况。当H=3.0cm时，潜坝有效减弱了桥墩绕流对坝下游河床的剧烈紊动作用，避免了直接冲刷；当H=4.2cm时，由于此时坝高高出床面较大，对于坝上水流相当于隔流屏障，虽然有效减弱了桥墩绕流对下游的影响，但由于壅水过高，坝顶水流势能增大，水位抬升较高，水流越过坝面后形成强烈的跌水冲击下游河床，引起剧烈的冲刷。

图7 不同坝高潜坝下游冲刷坑最大冲刷深度历时曲线

由此可见，在河道流量一定的情况下，桥墩下游潜坝的坝高越高，坝前壅水高度越大，桥墩周围水面比降减小越大，桥墩周围流速越低，冲刷深度越小，起到了保护桥墩的作用。但是坝高越高，壅水越会严重影响河道行洪，同时增强了跌水冲击，下游冲刷加剧。因此，要选择合适的坝高才能既对桥墩起到保护作用，又不会引起潜坝下游的剧烈冲刷。从安全方面考虑，建议潜坝高出河床面高度以3.0cm（0.625D）为宜。

自此，综合考虑桥墩与潜坝间的距离L和潜坝高于河床面高度H的影响，实质上是在选择合适的H与L的比值，文章定义此为有效坝高间距比i，即

在文章的计算条件下，可取H=1.8cm、3.0cm、4.2cm工况对比，应取H=3.0cm。结合综合分析，桥墩与潜坝间距应取L=0.7D，故有效坝高间距比i宜取0.893。为更加准确地确定有效坝高间距比i值，应充分研究考虑水深、流速、桥墩直径、墩型、泥沙粒径、级配等影响。

5 结束语

文章在桥墩、潜坝以往研究总结的基础上，对于Wang试验模型进行了水流流态和冲刷坑深度方面的验证，表明了所建数值模型的可靠性。在此基础上，综合考虑桥墩与潜坝间的距离L和潜坝高于河床面高度H的影响，提出了有效坝高间距比概念用于桥墩与潜坝布置距离和潜坝坝高选择标准。研究结果表明，有效坝高间距比宜取0.893。