钢围堰浮运阻力计算方法探讨

曾智泉

（中铁第四勘察设计院集团有限公司 武汉 430063）

钢围堰是钻孔桩、承台及桥墩施工的临时阻水结构，其作用是通过钢壁板和封底混凝土阻水，为施工提供无水作业环境［1］。双壁钢围堰可承受较大的围堰内外水头差，受墩位处水深的限制较小，水密双壁结构既可用于水中浮运，又可注水下沉［2］。双壁围堰结构形式复杂，体积较大，一般采用在岸上加工、然后浮运至墩位的施工方法。为了保证浮运安全，配备足够的拖船船队，需要准确计算出围堰浮运过程中所受的阻力。利用CFD软件进行数值计算已成为一种普遍认可的方法［3－4］。本文分别采用规范公式和流体计算软件对计算某钢围堰的浮运阻力进行了计算，并对不同方法计算结果的差异进行了探讨。

1 工程概况

某需要浮运的钢围堰直径50 m，高度18.5 m，重量约为1 020 t。钢围堰平面布置图见图1。

图1 钢围堰平面布置图

钢围堰首节浮运吃水为3.12 m，围堰双壁间距为2 m，围堰内部设置了墩底隔舱。浮运过程包括逆流浮运和横流浮运，逆流浮运指围堰的浮运方向与水流反向，而横流浮运指围堰的浮运方向与水流向垂直。水流速度分别为2.0，2.2和2.5 m／s。

2 钢围堰浮运阻力计算方法

2.1 《公路施工手册·桥涵》规范公式计算

在《公路施工手册·桥涵》中给出了水中结构的水阻力计算公式：

式中：R1为水下部分受水流冲击力，N；ξ为钢围堰形状系数；ρ为水的密度，取1 000 kg／m3；S为钢围堰挡水面积，m2；v为浮运计算流速，m／s；g为重力加速度，9.8 m／s2。

2.2 《海上拖航法定检验技术规则》公式计算

在《海上拖航法定检验技术规则》中给出了浮运阻力计算公式：

式中：RF为摩擦阻力，RF＝1.67A1v1.83×10－3k N；RB为 剩 余 阻 力，RB＝Rl＋Rx＝0.147 CbA2v1.74＋0.15vk N。其中：A1为钢围堰浸水面积，m2，取外壳浸水面积；Cb为方形系数，Cb＝0.785；Rl为涡流阻力，k N；Rx为兴波阻力，k N；A2为横剖面面积，m2。

2.3 流体计算软件计算

在计算围堰浮运阻力时需考虑黏性的影响，由于围堰结构尺寸较大，其浮运的流动为湍流流动。采用流体计算软件FLUENT求解器求解控制方程RANS方程，在计算过程中选取κ－ε湍流模型，采用SIMPLE法进行压力场和速度场的耦合求解，对流项的离散采用一阶迎风差分格式。围堰浮运速度较低，有较小的弗劳德数，所以浮运过程中兴波阻力较小可以忽略不计，水阻力主要是黏性阻力，包括粘压阻力和摩擦阻力。通过求解绕围堰的黏性流场可以计算其黏性阻力。考虑到水流速度较低，弗劳德数Fr＝0.063～0.104，此时兴波阻力很小可以忽略不计，水阻力中仅包含形状阻力和摩擦阻力。围堰计算模型见图2。

图2 钢围堰计算模型

建模只考虑水下部分，由于结构对称，只建一半模型，这样计算所需的网格数量减少了，大大缩短了计算所需时间，提高了计算效率。模型流场长350 m、宽100 m、高8 m。其对称面处流场前端壁距模型中心100 m，后端壁距模型中心250 m。网格划分是建立计算模型中关键的部分，在Gambit软件中网格生成提供了多种技术。本文中同时采用了非结构网格与结构网格，将控制区域划分成几块子域，在围堰结构附近使用非结构网格，较远地方使用结构网格，子区域之间网格的连续性通过相交面上的网格来控制。

3 计算结果及讨论

不同水流速度工况下逆江浮运和横江浮运的计算结果见表1。由表1可知，随着水流速度的增加，钢围堰受到的浮运阻力明显增大。不同的计算方法得到的结果中，采用《海上拖航法定检验技术规则》公式计算得到的结果最小，而采用流体软件计算得到的结果最大。采用《公路施工手册·桥涵》公式计算得到的数值也远小于流体软件计算得到的结果。对比各种计算方法发现，《公路施工手册·桥涵》规范公式，S为钢围堰挡水面积，按照常规的计算，该值为钢围堰表面积在水流方向上的投影，而并没有考虑钢围堰内部的结构和内壁的阻水效应。《海上拖航法定检验技术规则》中给出的浮运阻力计算公式综合考虑了摩擦阻力、涡流阻力和兴波阻力。而围堰浮运时一般选择气候和水文条件相对较好的时候，而且浮运速度较低。也就是说，在围堰浮运过程中受到的涡流阻力和兴波阻力所占的比重很小。采用流体计算软件时，考虑了围堰内壁及内部结构所受到的水流力。从对比结果来看，《海上拖航法定检验技术规则》公式计算得到的结果远小于采用流体计算程序的结果，其主要原因是结构受到的水流力作用面积不同，围堰内壁及内部结构受到的水流力较大，是不可忽略的，见图3。

表1 不同计算方法的计算结果

图3 钢围堰压力分布图

4 结语

本文采用规范公式和计算流体软件分别对某钢围堰浮运时受到的水阻力进行了计算，对比了不同的计算方法得到的结果之间的差异。从对比可见，流体计算软件得到的阻力值均大于规范公式计算的结果，其主要原因是规范公式中只定义围堰外壁为挡水面积，而实际浮运和流体计算软件的计算过程中围堰内壁及内部的结构也受到了较大的水流力。为了准确地评估围堰在浮运时所受到的流体阻力，配备足够的拖轮船队，评估围堰受到的流体作用力时，须将围堰内壁及内部结构受到的流体阻力考虑在内。

［1］ 胡曙峰，张新生.印家颇梅江1号大桥3号墩钢围堰设计［J］.桥梁，2002（S）：75－77.

［2］ 徐双喜，李晓彬，曹正林，等.大型沉井浮运阻力研究［J］.水运工程，2007（12）：29－32.

［3］ 李胜忠.基于FLUENT的二维数值波浪水槽研究［D］.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2006.

［4］ 王 鹏.基于FLUENT的海堤越浪数值模拟［D］.大连：大连理工大学，2011.