名山桥局部冲刷二维数值计算分析和防护研究

李东风，张红武，谢华伟，欧 剑，陶爱强，张继原

(1.浙江水利水电专科学校，浙江 杭州 310018;2.清华大学水利水电工程系，北京 100084;3.缙云县水利局，浙江 缙云 321400)

0 引言

对大桥桥墩水流局部冲刷坑深度和范围的研究、对大桥局部冲刷防护措施的研究对大桥的设计和运行管理至关重要.研究的方法主要由河流数学模型、物理模型、经验公式和实测资料的分析等方法.各种方法都有其优缺点，本文主要利用数学模型和经验公式进行计算分析.

1 河流水动力平面二维数学模型及其验证［1－3］

1.1 河网水体流动二维模型基本方程

(1)基本方程

水流连续方程

x，y向水流运动方程

其中:x、y—空间坐标;z—水位;t—时间;

u、v—x向和y向上的流速分量;h—水深;

f—柯氏力，f=zWsinΦ;W—地球自转角速度;

Φ—地球纬度;C—谢才系数;g—重力加速度.

(2)定解条件

初始条件:给定各个计算网格节点的初始地形，流速、水深等

边界条件:给定模型进口的流量过程;出口给定水位流量过程;

1.2 河流建桥局部冲刷二维模型研究及其验证

拟建的名山桥位于缙云好溪河流，名山桥位于名山村西北，好溪属瓯江水系，发源于磐安县大岗尖西南麓，在丽水市古城汇入大溪(瓯江干流)，好溪主流全长129 km.

根据模型验证的需要、现有的好溪水文资料、好溪防洪规划和河道整治规划等研究的成果，以及大桥可能对洪水的影响选取模型的计算范围.二维数学模型的上边界为仙都啤酒厂处的河道断面至到下名山南部的洋泉断面.

二维模型区域离散网格图见图1，对大桥附近的区域进行了局部加密.对不同频率的洪水进行了验证计算.结果比较表明，计算洪水水位与实测及其插值、洪痕及其插值以及规划报告计算成果比较符合，误差均在 +0.086～0.072之间.表明本模型所取的糙率、紊动系数等计算参数合理.其参数的选取可用于名山桥局部冲刷的计算.

图1 区域离散网格和大桥附近区域局部加密网格

2 河流建桥局部冲刷二维模型计算

2.1 计算条件

在有桥的情况下，为适应模型对桥墩绕流计算的需要，对大桥桥墩和桥位附近的计算区域进行高度加密，得到有桥时计算网格和计算点加密图，见图1.计算水文条件，根据水文计算分析，桥位处重现期(年)20%的设计洪峰流量分别为2170 m3/s.

2.2 计算结果及其分析

2.2.1 桥位桥墩附近流速变化分析

建设大桥前的桥位桥墩附近流速分布图2，建设大桥后桥位桥墩附近流速分布图见图3，图4和图5，从对比图形可以看出，流向桥墩的水流，在受到墩身的阻拦时，其流速方向和流速分布和流动结构发生急剧变化，水流的绕流使流线急剧弯曲，桥墩两侧由于过流断面减少流速增加，墩后流速降低，并在墩后形成涡流.

图5 桥墩附近流速等值线色度图

根据建设大桥前后流速的大小，计算出桥位桥墩附近断面平均流速变化率，可以看出桥位断面流速增加最大，20年一遇洪水流速最大增加5.6%，最大影响距离向上游约529～604 m范围内.

2.2.2 建桥冲刷计算分析

局部冲刷分析点的选取.桥位附近局部冲刷计算分析点位置见图6.

图6 桥位附近局部冲刷计算分析点位置图

局部冲刷分析.选取20年一遇洪水，得到达到冲刷淤积相对平衡时，桥墩附近冲刷分布图见图7，其最大冲刷深度约为3.1 m.最大冲深产生的区域和位置，均发生在桥墩的两侧后部，这些区域是桥墩绕流漩涡紊动、脉动、产生、增强、减弱并逐渐消亡的区域，也是桥墩承载最不利区域.

图7 桥墩附近冲刷分布图

3 经验公式河床冲刷计算结果及其分析

建桥后，由于过水断面积减小，桥址断面附近流速增大，水流挟沙力增大，引起桥址断面附近发生冲刷.桥址断面附近的冲刷除自然冲刷外，还包括一般冲刷和局部冲刷两部分，本次计算应用浙江省涉河桥梁水利技术规定(试行)提供的公式进行，计算结果见表1，由表可以看出，河床最大冲刷深度为3.7 m.一般冲刷深度在 0.5 ～0.8 m 之间，略大于浙江省涉河桥梁水利技术规定(试行)中已有工程的一般冲刷深度0.5 m.建议加强对堤防采取防护措施.

表1 河床冲刷经验公式计算成果 m

4 桥梁墩台防护措施及其水动力分析

桥墩是一个阻水建筑物，桥墩周围发生的床面冲刷和泥沙运移是个较为复杂的过程.引起桥墩冲刷的主要原因有，一方面由于桥墩阻水而在墩前形成壅水产生下移螺旋流，立轴漩涡体系向下游传播发展，在桥墩下游形成回流区，该回流区的流动是有旋流动，漩涡的中心形成真空，卷起泥沙带往下游，从而导致河床下切;另一方面由于桥墩阻水形成侧向绕流产生马蹄形螺旋流淘刷两侧地形，从而导致桥墩周围床面的冲刷，在马蹄形漩涡的作用下，桥墩周围河床上的泥沙被冲起带向下游，逐渐形成冲刷坑.当冲刷坑发展到一定深度时，水流能量减弱，冲刷逐渐停止.冲刷坑的形成是由局部水流条件改变的结果.冲刷坑的形成、发展到最后，其基本平衡水流条件、泥沙特性和河床特性三个方面共同作用的结果.

桥墩局部冲刷初期，桥墩前的行近水流受桥墩阻挡分向桥墩两侧，迎水面桥墩前两侧首先冲刷，然后再向桥墩前沿扩展，并逐渐刷深，范围扩大，此时桥墩两侧也在同步刷深、拓宽.由于分离流和漩涡的作用，泥沙从冲刷坑内搬运到坑外时呈螺旋形上升，一部分被带向桥墩下游掩护区内形成沙埂，一部分泥沙则被主流带走.迎水面墩前冲刷坑的范围在冲刷开始后很快成形并在较短时间内趋于基本稳定，当墩前附近的冲刷达到基本平衡时，墩两侧冲刷坑仍在继续刷深、拓宽.随着时间的推移，下游淤积体体积在逐渐增大，导致阻力增大，输沙能力逐渐减弱，加上冲刷坑的冲刷深度和范围逐渐增加，使得坑内泥沙越来越难于搬运出坑外，仅在冲刷坑内进行局部调整.坑外淤积体的形态变化渐趋稳定，冲刷坑内的局部调整也逐渐停止，最后桥墩周围的冲刷坑在一定深度和范围下基本定型和稳定.

桥梁墩台的防护从河流泥沙水动力和措施机理看，可以通过以下两个方面加强桥梁墩台的防护.

(1)提高河床表面抗冲刷能力的防护措施

通过提高河床表面面抗冲刷能力，如抛石防护、扩大桥墩基础防护、混凝土模袋和混凝土铰链排防护和四角混凝土块防护等.

这些方法将具有一定粒径和质量要求的块石、卵石、人工或者天然石料，按照设计要求均匀抛投至桥梁墩台堤岸坡脚附近一定范围，在桥梁墩台的一定范围内形成一定厚度的连续覆盖层，一方面增加了床沙起动或扬动所需的流速，另一方面可以增大桥墩附近局部糙率，对于减小桥墩附近流速也有一定的作用，提高河床表面面抗冲刷能力.

(2)降低水流流速和紊动的防护措施

通过降低水流速度和动能，以降低河道床面切应力，减少水流对河床的冲刷能力，如桥墩开缝防护、护圈防护、、墩前淹没翼墙防护、墩前淹没底槛防护、墩前淹没角槛防护、墩前排桩防护等防护措施.

这些措施一方面降低了水流流速，干扰水流的紊动，减少马蹄形旋涡强度，降低水流的冲刷能力.

(3)综合防护措施

对于降低水流流速和紊动的防护措施，都是在一定的边界条件下，通过改变流速的大小和方向，使流速减小和马蹄形旋涡紊动强度降低.当各种边界条件的改变使流速的大小和方向不能够满足上述条件时，这种措施的防护效果就会降低，甚至引起整个防护工程的失败，影响桥墩稳定和桥梁安全运行，通过4.1和4.2的组合综合措施也是重要的方法.如护圈结合淹没翼墙的局部冲刷防护措施，河海大学提出的桥墩周围四面体透水框架群抛投防护方法等等.

5 结语

利用二维河流数学模型和经验公式对桥墩局部冲刷进行了对比计算和分析，对桥梁墩台防护的措施及其降低水流流速，干扰水流的紊动，减少马蹄形旋涡强度，降低水流的冲刷能力的水动力特性进行了分析.为工程设计和管理提供了依据.

［1］李东风，张红武，许雨欣，等.黄河下游平面二维水流泥沙运动模拟的有限元方法［J］.泥沙研究，1999(4):59 －63.

［2］李东风，张红武，谢华伟，等.名山桥建桥河流壅水防洪影响研究［J］.浙江水利水电专科学校学报，2012，24(3):9 －11.

［3］谢其华，李东风，陈冬云，等.基于二维数值模拟的城市河网水体流动性研究［J］.浙江水利水电专科学校学报，2010，22(4):1－7.

［4］李东风，毛连明，陈冬云.河网水体流动控导措施二维数值计算分析［J］.浙江水利水电专科学校学报，2011，23(1):9 －13.