大中型输水明渠双圆柱桥墩阻水特性分析

刘 科，范聪喆，赵敏歌，刘红阳

（1.陕西省江河水库工作中心,陕西 西安 710018；2.南水北调中线干线工程建设管理局河南分局,河南 郑州450018）

1 引言

随着社会经济的快速发展,国家水资源调配体系逐步完善,继南水北调输水工程之后,引汉济渭、引江济汉等一系列大型引水工程相继开工建设和运行,这些引水工程由于规划布置和社会地理等客观因素制约,不可避免与其他跨河建筑物产生空间重叠,而跨河桥墩作为明渠内常见的水工建筑物,不仅会降低其过流能力,影响其输水效能,而且产生的不利流态会对渠道产生功能性破坏。因此针对大中型输水明渠中跨河桥墩阻水特性研究很有必要。桥墩阻水特性研究作为水力学传统领域,在不同时期引起众多学者的关注,通常利用经验公式计算、物理模型模拟、数值软件计算等方法对桥墩阻水效应进行了大量研究。其中,王玲玲等[1]采用数值模拟方法研究平原地区河道桥墩壅水效应,以阻水比为变量,从墩前冲高和桥前壅高的产生机制分析桥墩壅水特性。高晨晨等[2]利用物理试验成果验证数学模型,基于数学模型分析了圆端形桥墩水动力特性,总结了桥墩阻水比和来流流速对桥前壅水和墩前冲高的影响规律；探究了单圆墩阻水效应空间分布规律及其阻水系数取值新方法。韩露等[3]利用高精度测量系统采集墩周特殊区域的水位过程线,通过分析墩周壅高尺度,验证了阻水效应特性与流态因素存在的新联系。定量分析了墩柱阻水效应的空间影响范围及水位变化的空间分布特征,推求墩柱阻水系数计算的新公式。陈文学等[4]利用Flow3D 软件模拟了南水北调中线工程中常见的圆柱型桥墩（单排、双排和三排桥墩）的阻水特性,分析表明,单排桥墩壅水的数值模拟结果与Yarnell 修正公式计算结果相近；多排桥墩综合壅水值随桥墩排数的增加而增加。

综上所述,关于河道内桥墩的绕流特性研究较为成熟,并且利用数值模拟方法具有独特的优势,本文针对大中型输水明渠开展渠内双圆柱桥墩阻水特性研究,分析某一桥墩布置下典型渠道的流态分布及壅水效应,研究墩前冲高和墩后跌水的变化规律。

2 模型建立

2.1 模型概况

分析国内大中型输水渠道的相关研究资料[5-7],确定以南水北调总干渠中段一个顺直渠段为研究背景,概化相关参数为：梯形断面布置,相关尺寸见图1,渠道底宽14.5 m,渠深10 m,边坡坡比为1∶2.25,渠道纵比降为1/28000,设计水深7.1 m。本次模拟渠道长度为500 m,其中桥前300 m,桥后200 m。结合模拟实际情况,选取此渠段某一公路桥为研究对象,跨河桥梁采用圆柱形双墩桥对称布置,桥墩直径D=1.8 m,间距10 m,模型平面布置见图2。

图1 模型渠道断面尺寸（尺寸单位：cm）

图2 模型平面布置图（尺寸单位：cm）

2.2 控制方程

本文利用MIKE 软件对河道桥墩进行水动力数值模拟。流体动力学计算（CFD）的实质是在计算域内对水流控制方程进行离散迭代求解,获得计算域内的水动力因子,数值模拟的理论基础为流动控制方程。

（1）质量守恒方程

式中：xi、ui和ρ分别表示在i方向上的空间坐标、流体流速和流体密度。

（2）动量平衡方程

式中：fi、i分别表示平均压强、i方向上的重力分量和流体粘性；是由Boussinesq 假设推得的紊流雷诺应力,采用k-ε方程,则具有如下表达式：

2.3 网格剖分及边界条件

根据河道概化参数,结合软件特性,建立布置桥梁的渠道模型,利用SMS 软件的三角形无结构网格（ADCIRC）对模型计算区域进行网格剖分,为提高桥墩附近区域计算精度,对桥墩附近网格进行加密处理,见图3,网格单元总量为60290 个。模型利用MIKE21 水动力学模块（Hydrodynamic）进行计算,上游开边界采用流量边界,数值为285 m2/s,下游开边界采用水位边界（0 m 水位,7.1 m 水深）。计算时间按300 s 稳定计算。

图3 桥墩附近网格

2.4 模型验证

为验证数学模型的的可行性,利用上述条件,对无工程下的明渠模型进行求解,结合薛海[8-9]等人试验数据,将计算成果与物理试验成果进行对比分析,见图4,为无工程渠道与对应模型渠道水流流态（纵向中心线沿程方向流速分布）验证结果,图中显示模拟值和实测值趋势基本一致,说明本次计算模型的所选参数相对合理。

图4 数值模型计算结果与物理模型试验结果对比验证

3 结果分析

3.1 流场流态分布规律

图5和图6 分别为双圆柱桥墩附近区域的流速变化分布图及壅水变化图。由图可知,当河道水流趋于稳定时,由于圆柱桥墩使河道渠道断面束窄,墩周流速变化较大（无工程下渠道平均流速为1.3 m/s）,墩前和墩后水流流速均降低,墩前水流流速降幅较大且形成圆形状低流速区域,墩后形成较大范围的长条状低速区,周围流体紊动性增强,出现水体回流,回流强度最大可达0.3 m/s；桥墩的阻挡使水流分向两侧,形成稳定的高速水流区,最大流速增量为0.8 m/s 左右。结合图5 分析图6,渠道壅水（水位）分布比较明显,以桥墩横向中心线断面为分界线,上游平均壅水高度维持在1.6 cm 左右。墩前出现与流速分布图中低流速区尺度相近的壅水特征,墩后2 m 位置出现3 m2左右的水位上升区（较下游水位而言,与流速分布有所差异,是因为墩后产生的卡门涡街具有周期性,出现上下交替的旋涡）,墩两侧出现与流速分布图中高流速区尺度相近的跌水。以上分析表明桥墩的存在使渠道过流能力明显降低,并在周围产生较恶劣水流流态。

图5 桥墩附近的流速变化分布

图6 桥墩附近的水位变化分布

3.2 墩周壅水分布规律

根据桥墩的壅水效应和阻水特点,本文采用墩后跌水和墩前冲高两个指标进行壅水特性分析,图7 为双圆柱桥墩墩前及墩前3D、墩前5D 位置处断面内的冲高分布曲线,图8为墩后及墩后3D、5D 位置处断面内的跌水分布曲线,整个过程的水面线变化见图9,结合图5、图6 分析图7～图9 可得：

图8 墩后各断面跌水分布

图9 水位壅高纵向分布曲线

1）由于桥墩阻挡作用,墩前区域的水流流速急剧下降,产生的能量转换导致附近小范围的水位骤升,升高值最高达到4.5 cm,且随距墩前断面的距离的增加快速减小,在墩前3D 位置处冲高已衰减70%左右,在墩前5D 位置处水面线几近持平。

2）水流绕过桥墩,以较高流速到达后方,形成跌水和旋涡,最大跌水位于桥墩正后方,可达2.5 cm,在墩后3D 位置处跌水高度和范围较墩后均缩减90%左右。墩后5D 位置处跌水稍低于墩后3D 位置处,但总体上水面线变化趋势不大。

3）由图7 可知,渠道中轴线和双墩中轴线的水位变化规律存在较大差异,桥墩中轴线水位落幅大于渠道中轴线,两线在上游15 m 处逐渐重合并向上延伸形成壅水曲线。较墩前冲高而言,河道中轴沿线的桥前壅水较平缓,平均壅水高度仅1.5 cm,低于墩前冲高；较墩后跌水而言,由于双桥墩的对渠道中心水流挤压效应的叠加,使渠道中轴线断面内水流速度加快,水位降低,在渠道中轴线两侧以外,双墩中轴线以内区域内水流强紊动性叠形成局部跌水,跌水深度高于墩后跌水。

图7 墩前各断面壅水分布

4 结论

通过对南水北调中线某顺直渠道内布设双圆柱桥墩渠道进行过流数值模拟,分析渠道内墩周流态分布规律及阻水特性,结论如下：

（1）桥墩的存在使渠道过流能力明显降低,并在周围产生较恶劣水流流态。

（2）墩前最大冲高值及墩后最大跌水值均在贴近墩周附近位置,墩前3D 位置处冲高和墩后3D 位置处衰减分别为70%和90%,墩前5D 位置处和墩后5D 位置处水位变化与上下游稳定水位基本持平。

（3）桥前壅水影响范围相对较大,但壅水值较小,双墩束缚作用造成河道中轴沿线附近存在最大跌水。