圆端形桥墩布置对河道墩前壅水影响分析

魏 帅，李 昂，陶伯钧

(1.水发规划设计有限公司，山东 济南 250013；2.济南大学水利与环境学院，山东 济南 250022)

1 研究背景

在高速铁路建设中，为保证路线尽量顺直，穿越河流需要在河道中布置桥墩。但桥墩的布置会缩小过流断面，进而引起桥梁断面上游洪水位升高，进而对上游河道防洪和两岸居民的安全造成不利影响。

随着数值模拟方法的不断进步，通过水动力学模型进行河道中桥梁壅水模拟和分析已经成了认识和解决桥梁阻水问题的常见方法。袁晓渊针对淮河入海水道铁路桥通过SMS软件定量分析了不同形状和尺寸的桥墩对于桥梁上游水位的影响，并将其作为桥梁设计和防护的参考依据。郭娅等对比分析了一维水动力学软件Mike11与经验公式在桥梁防洪影响分析中的区别，并应用在赤化大桥洪评项目中。闫杰超等基于动量守恒原理，通过CFD软件对双桩桥墩的阻水效应和用水特性进行了研究，并提出了理论公式。鲍瑞雪等利用VOF三维数学模型对复杂地形上的群墩阻水效应和涌浪等进行了分析。Zhang等分析了恒定流条件下相邻桩之间的水流流动机理，讨论了桩间距对于流场的影响。Liu等通过数值模拟研究了圆形桩周围的局部水流流动情况，结果显示两个桩之间的间隙比对流场有明显的影响。高原等、张震、焦显松、于冬、刘洪昌、金相楠等分别针对西法城际铁路眉县跨渭河特大桥、商合杭铁路淮河大桥、兜儿寺大桥、白沙河河道城市斜交桥、永新特大桥、顺河跨海大桥中桥墩对水面壅高和冲刷等作用进行了数值模拟，对二维数学模型的工程实际应用价值进行了讨论。可见，数值模拟技术在分析桥墩影响下水流状态，减少自然灾害和工程事故等方面起到了重要的作用。

2 桥墩数值模型的建立与验证

2.1 流体运动基本方程

本研究通过数值水槽模拟宽浅型河道中水流的运动规律。

(1)连续性方程

对于连续流体，其在河道中的运动状态可以通过连续性方程进行概化：

(1)

(2)动量守恒方程

对于运动流体，分别考虑在x和y方向的作用力，表面力可以表示为流体微元在x和y方向所有正应力和切应力之和，表达式如下：

(2)

(3)

式中，H—总水深，H=ζ+h，m；h—时变水深，m；ζ—水面高程，m；p、q—x，y方向单宽流量，m3/(s·m)；C—谢才系数；g—重力加速度，m/s2；f—科氏力系数；ρ—水的密度，kg/m3；W、Wx、Wy—风速及在x，y方向上的分量；fw—风阻力系数；τxx、τxy、τyy—各方向的有效切应力，N。

2.2 数值水槽设计及网格划分

为简化计算，突出桥墩布置对于水流流态和桥前壅水的影响，水槽形式为顺直型明渠，断面形式为矩形，水槽长1000m，矩形断面底宽100m。水槽形式如图1所示。

图1 数值水槽模型示意图

图2 数值水槽网格

2.3 模型验证

桥墩采用圆端形截面墩，计算时将桥墩附近网格适当加密，桥墩附近最小网格边长为0.5m，水槽最大网格边长10m，计算网格数为13770个。典型网格分布如图2所示。

4.积极争取，落实省级土地确权经费。在咨询部农垦局、部分兄弟垦区、相关测绘公司的基础上，经反复与省财政厅协商，省农业厅在2017年向省政府提交了《关于申请农垦国有土地使用权确权登记发证工作所需经费的请示》，并在2018年年初落实了土地确权登记发证工作省级财政补助经费318.25万元，其补助标准是按照山西省农村土地承包经营权确权登记领证工作每亩15元标准的基础上，考虑到需确权发证的19个农场多为贫困农场且处于贫困县的实际，又增加了工作经费19万元。为确保资金安全、快速使用到土地确权发证工作上，省农业厅与国土厅多次沟通论证，于2018年5月底将资金从省农业厅全部拨付到各市农委（畜牧局）。

为保证所建立水动力学模型的可靠性和合理性，需对模型进行验证。采用Roulund水槽试验结果对本研究建立的模型进行验证。

验证使用的数值模型与Roulund水槽试验模型一致，长10m，宽3.6m，纵比降0.000117，糙率为0.022，水深0.54m，圆桩直径0.536m，置于水槽中心，均匀流流速0.326m/s。采用三角形网格进行模拟并对桩柱附近进行网格加密，试验模型如图3(a)所示。对比模拟与试验结果如图3(b)—3(c)所示，可以看出二者基本吻合，通过二维水动力数值模拟方法进行壅水分析是合理的。

3 桥墩壅水效应数值模拟

为研究桥墩布置对于桥前壅水和水流流态的影响，本文从桥梁与河道交角、桥墩跨度和桥墩轴线与桥梁轴线夹角3个角度进行分析和讨论。

3.1 桥梁与河道交角的影响

为讨论桥梁和河道交角α对桥前壅水水位的影响，分别对单墩和三墩在交角为0°、2°、5°、10°、30°、45°、60°、75°时河道中水位壅高情况进行模拟，河道中三墩布置时不同桥墩之间的跨度控制在30m。

如图4所示为不同角度在此情况下桥墩最大壅水值的变化趋势。当桥墩斜交布置时，桥墩墩前壅水高度较正交时有较大幅度增加，随后随着斜交角度的增大，桥梁壅水高度逐渐增加；当斜交角度增大到30°～60°时，桥前壅水高度随角度增加值明显。此外，当河道断面中布置多个桥墩时，由于桥墩对于河道中过流断面面积的影响以及对于水流流动的干扰，桥墩达到最大壅水值。

如图5所示为不同角度三桥墩布置时桥墩前约100m内的壅水高度变化的趋势图。由相应图表可知，桥前壅水高度主要表现在桥前50m范围内。在桥前50m范围外，水流有一定壅水表现，但壅水高度较小，变化趋势不明显；同时由于桥墩对水流的干扰作用，墩前水位表现出一定的起伏，斜交角度越大，桥前水位的干扰作用越大，表现为桥前水位的波动越大。

图3 模型验证

图4 不同斜交角度桥前壅水水位

图5 不同斜交角度时桥墩中轴线水位变化趋势

3.2 桥梁跨度对桥前壅水的影响

为研究不同跨度桥前壅水水位的影响，选取16、32、40m三种跨度和0°、10°、30°、45°、60°五个斜交角度。不同工况下斜交桥墩的壅水高度如图6所示，可以看出：无论桥跨如何变化，桥墩壅水高度随着桥墩斜交角度的增大而增大。

当多桥墩布置在河道中时，桥墩之间的壅水会形成纵向的壅水叠加效应。在斜交角度小于10°时，桥墩横向距离变化较小，此时桥墩壅水相互影响程度基本保持不变，故桥墩壅水高度变化较小。当桥墩角度自10°角增加时，桥墩壅水的横向距离继续变小，且此时桥墩单墩布置发生变化，桥墩壅水值有一定增加；当桥墩角度自30°角增加时，由于桥墩壅水的前后叠加效应，此时上游桥墩的壅水值和壅水范围明显高于下游桥墩的壅水值和壅水范围；相同角度时若桥墩跨度增加，桥墩的叠加效应减弱，桥墩相互间的壅水高度和壅水范围差距减小。当桥墩斜交布置于河道中时，桥墩的有效阻水面积界于端部截面与投影截面之间。根据投影断面的壅水计算分析，当桥墩斜交角度较小时，可视有效阻水面积与桥墩的投影截面近似。

图6 不同跨度时桥墩中轴线壅水高度变化趋势

3.3 桥墩布置方式影响

为了研究不同桥墩布置方式对于桥前水位的影响，选择跨度为30m，角度分别为0°、5°、10°、15°、30°、45°、60°、75°、90°等工况，不同桥墩布置方式如图7所示，对桥前壅水的影响进行分析。

根据图7中的布置方案，不同桥墩布置方案对应的河道中最大壅水高度变化规律对比如图8所示。从图8中可以看出，随着桥梁与河道的交角增大，桥墩垂直桥梁布置时河道中最大壅水高度整体呈线性增加，而桥墩平行水流方向布置时桥前最大壅水高度整体不变且略有减小。如图9所示为典型工况下河道中水流流速和河道水位的分布情况。受桥墩的影响，水流在桥墩处发生绕流。当桥墩与桥梁轴线垂直布置时，随着角度的增大迎水面面积增大，对水流的阻碍作用和对流向的改变越明显；对于平行水流布置的桥墩，其阻水面积并未增大，且由于桥墩前后布置带来的水流横向干扰减小，桥前壅水水位也相对降低。另外，根据许栋等的研究，将桥墩群看成起阻碍作用的多孔介质，轴线与水流方向平行布置的桥墩其过流断面面积小，过流能力较强，对水流的阻碍作用相对减弱；斜交布置的桥墩，其过流路径加长，过流能力也相对减弱，导致壅水相对增加，桥前壅水水位也增大。

图7 桥墩布置方案示意图

图8 桥梁-河道夹角对壅水高度的影响

图9 典型工况下河道水位、流速、流场分布图

4 结论

本文基于二维水动力数值模拟方法模拟了不同桥墩布置型式下墩前壅水高度的变化，得到以下结论：

(1)桥墩与河道斜交时，壅水高度随着斜交角度的增大而增大。斜交角度较小时，桥墩的壅水高度增加幅度不明显；斜交角度越大，墩前壅水高度变化越明显。多桥墩阻水时墩前壅高高于单个桥墩。

(2)多桥墩布置存在壅水叠加效应。桥墩数量相同，桥墩跨度增加则墩前水位壅高降低。同时，斜交角度增大，桥墩斜向影响增大，桥墩的壅叠加效应更明显。

(3)桥墩顺水流布置可以减少桥墩处水流流速和桥前水流波动。