桥墩壅水效应的影响因素与最优桥墩墩型研究

肖素芬，魏乾坤，涂向阳

(1.广东省水利水电技术中心，广州 510635；2.珠江水利科学研究院，广州 510610)

随着社会经济的发展，跨河桥梁、码头等涉河建设项目的数量日益增多，建设速度大幅加快，工程密度越来越高[1]。桥梁桥墩、码头桩基等涉水建设项目的下部结构占用了河道过流断面，导致建设项目上游产生壅水，会在一定程度上影响河道的防洪安全[2]。

国外对桥梁桥墩壅水效应的研究可追溯至19世纪。1840年D' Aubuisson将恒定非均匀水流运动的伯努利方程运用到过桥水流中，提出了桥墩壅水计算公式[3]。从20世纪60年代开始，计算机技术开始应用于桥墩壅水效应研究。1974年J.T.Franques和D.W.Yannitell构建了桥前壅水二元流分析的第一个有限元模型[4]。国内公路和铁路系统对桥梁桥墩壅水效应的研究始于20世纪70年代末期，1998年长江大洪水之后水利部门对这一问题的研究逐渐增多[5-6]。

近期，桥墩壅水效应的研究主要采用数值模拟方法或物理模型试验方法。吴飞等[7]采用数值模拟方法分析了桥墩组中轴线与水流方向夹角过大时对河流局部流场影响；周勤等[8]采用数值模拟方法分析了斜交桥墩的阻水特性；丁伟等[9]采用数值模拟方法分析了涉河桥梁阻水的影响因素；张金明等[10]采用物理模型试验方法研究了圆形桥墩上游水位壅高与桥墩阻水比、河道流速的对应关系，并研究确定了方形桥墩的最优侧面曲线；李文文等[11]针对高桩码头桩群的水力特性开展了试验研究。

以往的相关研究主要采用数值模拟方法研究桥墩壅水效应[12-14]，采用物理模型试验方法的研究成果相对较少。物理模型试验方法直观复制现实情况，直接获取成果，可信度较高。珠江三角洲平原河网区经济快速发展，对河道的防洪任务要求越来越高[15]，有必要开展采用物理模型试验方法，以平原河网区为背景开展桥墩壅水效应影响因素研究，为桥墩布设，墩型的选择和优化提供参考。

1 研究方法

采用平原河网区河道的水流条件作为壅水影响因素研究的边界条件平原河网区具备河床比降小，跨河桥梁工程阻水比小、水流流速不大、单个工程造成的壅水高度相对较小等特征，为保证研究精度，采用宽水槽桥墩壅水概化模型试验的方法开展研究。

1.1 模型试验宽水槽设计

模型按照重力相似准则与几何相似准则设计，宽水槽长50 m、宽3.0 m、高0.7 m，模型布置如图1所示。整个模型由地下循环水池、平水塔、量水堰、前池、宽水槽、尾门和回水渠组成的闭合系统，水泵将水从地下循环水池抽入平水塔，依次经过量水堰、前池和宽水槽试验段，最后通过尾门跌落至回水渠，进入地下循环水池。宽水槽内的流量通过上游量水堰量测，水深通过尾门水位计调节控制。

图1 模型及水位测点布置示意

1.2 水位测量

按照试验选定的流速和水深计算上游来流量，再通过量水堰施放流量，利用下游水位仪及尾门调节水槽水位。

为保证测试到最大水位壅高，试验在宽水槽纵向中心线上布置10个水位测点，桥墩所在断面上游1～19 m布置10个水位测点，测点间距为2 m，同时跟踪水位变化，并在桥墩所在断面下游15 m(模型值)布设1个水位测点，作为水位控制点，水位测点布置如图1所示。水位测量采用GS-3B光栅式跟踪水位计，精度可达到0.1 mm，该水位计通过计算机系统自动测定水位，以避免人工测读的误差。

1.3 试验模型设计

试验采用正态模型与变态模型相结合方式，充分考虑桥墩主轴线与水流夹角对上游壅水影响。桥墩轴线与水流夹角小于50°时，水槽内设置1排桥墩、桥墩轴线与水流夹角大于50°时，水槽内设置2排桥墩。

河道模拟的有效宽度(垂直于水流方向的宽度)受桥墩轴线与水流夹角的增加而减小，不同桥墩轴线与水流夹角的模型平面比尺也不相同，模型平面比尺、垂直比尺以及变态率见表1所示，由表1可知，试验平面比尺在23.57～36.67，垂直比尺按23.57选取，壅水试验模型变态率在1～1.56。不同桥墩轴线与夹角情况下，桥墩阻水比计算值见表2所示，模型布置如图2所示。

表2 不同桥墩轴线与水流夹角桥墩阻水比

图2 梁桥墩壅水概化试验桥墩布置示意

1.4 试验方案设计

在一定的水流条件和桥墩轴线与水流夹角情况下，对桥墩上游水位壅高进行测定。基于珠江三角洲河网的水流条件，试验选取原型6 m、8 m、10 m 3组水深，0.5 m/s、1.0 m/s、1.5 m/s、2.0 m/s 4组流速，0°、15°、30°、50°、70° 5组夹角进行组合试验。

试验墩型的选择基于桥梁工程现状，相关规范的要求，以及最新研究成果，选择方墩、流线墩、圆墩3种墩型，对3种桥墩墩型的壅水特性进行研究。方墩、圆墩为现状桥梁应用最为广泛的墩型，圆墩为相关规范推荐的涉河桥梁建议墩型，选择方墩、圆墩作为试验墩型具有较好的代表性。根据张金明等[10]的最新研究成果，具有最优侧面曲线，即桥墩侧面曲线特征参数(曲线外凸宽度b′与桥墩长度L的比值)在0.071～0.083范围内的流线型墩，在相同阻水比条件下造成水位壅高最小，该成果对未来涉河桥梁墩型的选择具有参考意义，本次试验在最新研究成果的基础上开展，采用桥墩侧面曲线特征参数为0.071的流线墩作为试验墩型之一。3种试验墩型尺寸如图3所示。

图3 3种试验墩型阻水部分截面及尺寸示意(单位：mm)

2 试验结果

本研究以桥墩造成的壅水高度作为桥墩壅水效应的控制指标，以按照选定的桥梁墩型及尺寸，试验分别在一定的水流流速、水深、桥墩轴线与水流夹角等条件下，量测了不同桥墩墩型在10个测点的水位壅高试验值，并统计水位壅高最大值，得到各试验工况桥墩造成的水位壅高值，试验成果见表3～表5。各试验工况下，方墩的上游水位壅高值在0.00～28.28 cm范围内，流线墩在0.00～30.17 cm范围内，双圆墩在0.12～8.72 cm范围内。

表3 方墩阻水壅高值

表4 流线墩阻水壅高值

表5 圆墩阻水壅高值

3 结果分析

3.1 水深、流速对桥墩壅水效应的影响

由表3～表5可知，以水深8 m、桥墩轴线与水流夹角30°为例，流速从0.5 m/s增大到2.0 m/s，方墩造成的壅水高度从0.47 cm增大到4.36 cm，增大8.3倍；流线墩造成的壅水高度从0.24 cm增大到0.71 cm，增大12.8倍；圆墩造成的壅水高度从0.47 cm增大到3.62 cm，增大6.7倍。水流流速越大，桥墩的壅水效应越强，造成的壅水高度也越高。

以流速2.0 m/s、桥墩轴线与水流夹角0°为例，水深从6 m增大到10 m，方墩造成的水位壅高值从1.46 cm减小到1.3 cm，减小11%；流线墩造成的水位壅高值从0.94 cm减小到0.57 cm，减小39%；圆墩造成的水位壅高值从0.94 cm减小到0.57 cm，减小30%。随着水深越大，桥墩的壅水效应有所减小。与水深变化的影响相比，桥墩壅水效应对流速变化的敏感程度更高。

3.2 水流夹角对桥墩壅水效应的影响

以水深H=6 m、v=1.5 m/s为例，对不同桥墩轴线与水流夹角的桥墩壅水影响分析。

由表3～表5可知，方墩上游水位壅高值分别为0.82 cm、1.65 cm、2.83 cm、7.54 cm和15.32 cm，流线墩上游水位壅高值分别为0.59 cm、0.96 cm、1.89 cm、6.84 cm和16.62 cm，圆墩上游水位壅高值分别为1.41 cm、1.89 cm、2.36 cm、2.83 cm和4.60 cm，在相同水流条件下，上游水位壅高值均随桥墩轴线与水流夹角的增加而增大，尤其是方墩和流线墩，在夹角由0°增加至70°时，上游水位壅高值分别增加了15.3倍和27.2倍，而双圆墩只增加了2.3倍，可见，方墩和流线墩的壅水影响对桥墩轴线与水流夹角的变化比较敏感。

以桥墩轴线与水流夹角a=23°为界，当a>23°时，方墩与流线墩引起的上游水位壅高值受夹角变化的敏感度较强，即随着夹角增大，桥墩上游水位壅高值的增加速率也越大，圆墩引起的上游水位壅高值受夹角变化的敏感度相对较弱；在a<23°时，3种墩型桥墩上游水位壅高值较小，受夹角变化的敏感度也相对较弱，其中，在a≤15°时，3种墩型上游水位壅高值均在2.0 cm以内，而流线墩上游水位壅高值在1.0 cm以内。

由桥墩上游水位壅高值与桥墩轴线与水流夹角的关系曲线可知(见图4)，方墩(流线墩或圆墩)上游水位壅高值均随桥墩轴线与水流夹角的增加而增大，且随着桥墩轴线与水流夹角的增大，桥墩上游水位壅高与夹角关系曲线斜率也逐渐增大，即在桥墩墩型、尺寸以及流速一定时，桥墩上游水位壅高受桥墩轴线与水流夹角变化而不同，桥墩轴线与水流夹角是影响桥墩壅水的主要因素之一。

图4 桥墩上游水位壅高与角度的关系示意(v=1.5 m/s)

在进行工程大桥桥墩轴线布置时，要避免桥墩轴线与水流大夹角的出现，尤其是流速较大的河段，建议桥墩轴线与水流夹角控制在15°以内，同时建议桥墩墩型选用流线墩；若工程布置中无法避免而出现桥墩轴线与水流夹角较大时，建议桥墩墩型选用壅水影响相对较小的圆墩，以有效的降低工程建设对河道上游水位壅高的影响。

3.3 桥墩墩型对桥墩壅水效应的影响

试验水流条件下、不同桥墩轴线与水流夹角时，3种墩型桥墩上游水位壅高与墩型的关系曲线见图5。

图5 桥墩上游水位壅高与墩型的关系示意(H=8 m)

以水深H=8m为例，当桥墩轴线与水流夹角在0°～23°时，圆墩上游水位壅高值最大，方墩次之，流线墩最小；当夹角在23°～35°时，方墩上游水位壅高值最大，圆墩次之，流线墩最小；当夹角在35°～56°时，方墩上游水位壅高值最大，流线墩次之，圆墩最小；当桥墩轴线与水流夹角大于56°以后，流线墩上游水位壅高值最大，方墩次之，圆墩最小。

对试验给定的3种墩型引起的桥墩上游水位壅高值进行分析，当桥墩轴线与水流夹角小于23°时，方墩与流线墩引起的上游水位壅高值均较小，且两种墩型桥墩上游水位壅高值相差不大，建议在桥墩轴线与水流夹角小于23°时，工程桥墩选用流线墩或方墩，其中以流线墩为最佳；当桥墩轴线与水流夹角在23°～35°时，流线墩引起的上游水位壅高值最小，建议工程桥墩选用流线墩；当桥墩轴线与水流夹角大于35°，圆墩引起的上游水位壅高值在3种墩型中最小，建议在桥墩轴线与水流夹角大于35°时，工程桥墩选用圆墩。

4 结语

本研究采用宽水槽物理模型试验的方法，对3种桥墩墩型引起的桥墩上游水位壅高进行量测，对不同水流条件下桥墩的壅水效应进行研究，对影响桥墩壅水的主要因素进行分析，从减少桥墩壅水的角度，为墩型的选择提出建议，试验成果及相关结论如下。

1)对各试验工况3种桥墩墩型上游水位壅高值进行量测，对桥墩壅水系数进行计算，其中方墩上游水位壅高值在0.00～28.28 cm；流线墩上游水位壅高值在0.00～30.17 cm；圆墩上游水位壅高值在0.00～8.72 cm。

2)试验研究表明，在桥墩尺寸一定时，影响桥墩壅水的主要因素包括桥墩墩型、水流流速、水深以及桥墩轴线与水流夹角等，其中水流流速越大、水深越浅，桥墩壅水效应越强，与水深变化的影响相比，桥墩壅水效应对流速变化的敏感程度更高。

3)试验研究表明，当桥墩轴线与水流夹角在15°以内时，桥墩上游水位壅高值相对较小，从减少桥墩壅水的角度，建议尽量减小桥梁桥墩主轴线与水流的夹角，建议控制在15°以内，以降低工程建设对行洪影响，桥墩墩型以流线墩为最佳。

4)若在工程线路布置中出现无法避免桥墩轴线与水流夹角较大的情况，从减少桥墩壅水的角度，桥墩轴线与水流夹角在23°～35°时，建议桥墩采用流线墩，桥墩轴线与水流夹角大于35°时，建议桥墩采用圆墩，以降低工程与水流的相互影响。

除桥墩壅水效应以外，桥墩的布置，墩型的选择还应考虑结构形式、近岸冲刷效应、对河势稳定的影响等诸多因素，墩型选择应全面考虑个因素限制、影响的条件下综合确定。