橋墩紊流強度和寬度的研究

(重慶交通大學 河海學院 重慶 400074)

一、前言

目前處于河道中的橋墩、圍堰等，由于墩柱對水的阻流作用，水流在墩柱周圍產(chǎn)生的渦漩運動在一定寬度內(nèi)繞過建筑物流向下游。墩柱周圍紊流影響寬度范圍內(nèi)的水流，一方面屬于下降水流，另一方面在該范圍內(nèi)的水流因邊界分離產(chǎn)生回流，又伴隨著一個一個的旋渦，對周圍水體產(chǎn)生較大的吸附作用，這可能就是船舶撞橋墩主要原因。因此，從船舶和橋梁的安全考慮，航道的邊線宜布置在該紊流影響寬度以外，也就是說，可以將該紊流影響寬度作為航道邊線。橋墩紊流影響寬度范圍內(nèi)會對局部河床包括橋墩本身造成沖刷，靠近行駛的船只受到漩渦的影響會出現(xiàn)撞橋事件。吳門武同樣通過局部動床概化水槽試驗，采用MicroADV流速儀測量瞬時流速，得到浮運圍堰下沉過程中圍堰側面縱向、橫向和垂向紊動強度的分布情況。

紊流寬度的判別有以下幾方面：一是以橫流>0.3m/s為基準[1]；二是當水流與橋墩軸線夾角大于5°時，可采用有(無)橋墩橫向流速差作為紊流寬度的取值標準；或以紊流強度的變化值σ=0.1界定紊流寬度。

(1)

式中：σu，σv，σw分別為測點縱向(以Y軸正向為正)、橫向(以軸的負向為正)和垂向(以向上為正)的紊流強度；σ為總紊流強度(無橋墩時記為σ0)。

圖1 橋墩附近水流結構Fig.1 Flow structure around pier

二、研究方向和儀器

研究橋墩紊流強度、寬度影響主要方法有理論研究、概化水槽試驗和數(shù)值模擬三大類。對于物理實驗采用的設備有MicroADV[2]流速儀來測量瞬時流速，采用PIV等對定床河床墩柱周圍表面水流渦漩進行測量，T.F.Kwan[3]采用氫氣泡技術對翼墻型橋墩局部流場進行分析，采用ADVP[4]流速測量儀，還有借助示蹤劑等。

何小花等[5]通過概化水槽試驗,采用MicroADV流速儀測量瞬時流速,得到橋墩周圍縱向、橫向和垂向時均流速和紊流。

吳門武[6]同樣通過局部動床概化水槽試驗，采用MicroADV流速儀測量瞬時流速，得到浮運圍堰下沉過程中圍堰側面縱向、橫向和垂向紊動強度的分布情況。

B.Yulisitiyanto[7]等采用二維淺水方程求解圓柱繞流流場和自由水面波動。

I.Istiarto[8]采用標準k-ε紊流模型模擬了圓柱橋墩周圍的繞流,并與實測流場進行了詳細的對比,發(fā)現(xiàn)計算的流速與實測值較為吻合,紊動動能的預測偏小。

李鶴高[9]利用圓柱繞流的研究成果，使用紊流理論，借助大型流場分析計算軟件FLUENT，對橋墩周圍水流流場進行模擬，分析科算了單圓柱橋墩和雙圓柱橋墩群在不同水流條件周圍的紊流區(qū)寬度。

吳劍通過flow一3D數(shù)值模擬的方法，研究斜流條件下紊流寬度的取值標準。

三、影響橋墩紊流強度、寬度的因數(shù)

(一)行進流速

根據(jù)莊元[10]進行的水槽定、動床試驗成果分析,可得不同墩型的橋墩在不同水流流速下橋墩兩側紊流寬度,隨著水流流速的增大,橋墩紊流寬度增大。

何小花設置有橋墩和無橋墩兩種工況下紊流強度、寬度的變化。結果亦表明流速越大紊流強度越強，隨著流速的增加,紊動影響范圍增大,相對紊流寬度也加大。相對紊流寬度的增幅沿程緩慢減小，一定距離后紊流寬度基本不再增大;得到相對紊流寬度的變化范圍為0.65～1.0,最大相對紊流寬度為1.0，橋墩單側紊流寬度為(0.65～1.0)D,最大紊流寬度為1.0D。

(二)行進水深

莊元[10]對行近水深對橋墩紊流寬度的影響是顯著的,根據(jù)試驗結果,在其它條件相同的情況下,隨著行近水深的增大,橋墩紊流寬度增大。

吳門武通過浮運圍堰下沉紊流寬度的實驗，從縱向、橫向、垂向水流來分析紊流寬度，得出圍堰入水深度越大，紊流強度越大。

胡旭躍等人通過紊流垂向強度計算發(fā)現(xiàn)在垂線上紊流強度最大值位于0～0.2 h和(0.8～1.0)h兩個區(qū)間。紊流強度最大值主要集中于0.883 h附近。

(三)橋墩尺寸

莊元[10]在其它條件相同的情況下,橋墩紊流寬隨著尺寸的增加而增加,反之亦然。

李鶴高數(shù)值模擬認為圓柱間也存在一個臨界值使得雙圓柱橋墩群的紊流區(qū)寬度相對較小，且其隨著流速的增大而減小，在本文計算條件下，流速小于3 m/s時，臨界值約為L/D=3(間距與橋墩直徑之比)。

吳劍模擬結果表明在一定范圍內(nèi)，圓端橋墩兩側的紊流寬度和總紊流寬度都隨墩長的增加而增加。

(四)其他因素

1.水流夾角 水流流向與橋軸線法線方向的夾角對紊流寬度存在明顯的影響。隨著該夾角的增加，橋墩左、右兩側紊流寬度的差別也增大。對于圓端形橋墩，隨著來流方向與橋軸線夾角的增加，橋墩左、右兩側紊流寬度之和增加；對于圓柱形橋墩，左、右兩側紊流寬度之和不變。

2.橋墩形狀 張敏江[11]通過對橋墩防護石籠對水流的影響得出：流速自河道側壁到結構物附近逐漸變大，圓形石籠迎水面兩側的流速均小于矩形石籠迎水面兩側的流速，其流速分布與矩形石籠相比更加均勻，而且兩結構物迎水面兩側的流速最大值較為接近。圓形石籠防護后方的紊流強度分布更加均勻，紊流強度從河道側壁到結構物附近逐漸增大，圓形石籠迎水面兩側的紊流強度均小于矩形石籠迎水面兩側的紊流強度，二者迎水面兩側紊流強度分布都較為均勻，但是在結構物邊緣處，紊流強度迅速增大，而且矩形石籠防護邊緣的紊流強度值遠大于圓形石籠防護邊緣的紊流強度。

3.有無導流板 解剛偉[12]通過圓形橋墩和圓端形橋墩分別在無導流板已經(jīng)不同長度的導流板進行試驗發(fā)現(xiàn)有導流板紊動強度明顯減弱，同時證明圓端形墩比圓形墩造成的紊動要小。

四、橋墩紊流寬度公式

莊元公式

E=0.88ks·V0.75·b0.56·h0.44

(2)

其中：E為橋墩紊流總寬度(m)；Ks為與橋墩形狀相關的系數(shù)；V為墩前水流流速(m/s)；b為墩形計算寬度(m)；h為橋墩附近水深(m)。對于圓柱墩和片狀墩:Ks=1.0；b即為橋墩寬度。對于圓頭墩:Ks=0.8；b=(墩長-墩寬)×sinα+墩寬；α為橋軸線與水流夾角。對于尖頭墩:Ks=0.66；b=(墩長-墩寬)×sinα+墩寬。對于方頭墩:Ks=1.2；b=(墩長×sinα+墩寬×cosα)。

何小花

(B/D)max=0.2241lnU+1.3286

(3)

式中：U平均流速；B紊流寬度；D橋墩直徑，B/D無量綱紊流寬度。

長沙理工大學胡旭躍等人對橋墩紊流寬度進行了一定的研究,考慮橋墩對航道的影響，在試驗的弗汝德數(shù)范圍內(nèi),橋墩兩側安全距離按3D取值(D為橋墩的直徑)。

B/D=3.997Fr0.6

(4)

B/D=-7.2377Fr2+11.328Fr-0.8728

(5)

式4中Fr弗勞德數(shù)(0.14～0.4)；式5中Fr弗勞德數(shù)(0.035～0.1166)

吳劍

B/D=1.2×(L/D)0.252+b

(6)

式中：b為反映水流流向與橋軸線法線方向的夾角影響的紊流寬度一個增量，L/D為墩長與墩寬之比。

萬艾政就順直航道圓形橋墩通過量綱分析和實例驗證得到：

L/D=1.8ln(U)-4.7

(7)

應用范圍為：U平均流速一18～5Om/s，D一0.5～3.0m。

五、總語

縱觀國內(nèi)外學者對橋墩紊流強度、寬度的研究各家都有研究重點。考慮的因數(shù)主要有水深、流速、橋墩大小、形狀。導致有些學者得出的一些紊流寬度公式的參變量略有不同，適用范圍只在某一有限區(qū)域之間，比較分散，沒有適用性較強的統(tǒng)一公式。但是還是從各個影響因子考慮了橋墩對水流的作用，需求者在實際引用中可以選擇適于自己工程條件的公式進行參考計算和對比。

【參考文獻】

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[12]解剛偉,沈小雄.導流板對橋墩周圍紊動特性的影響[J].水利水運工程學報,2014,(2):81-88.