橋墩阻水比對彎道河流流速分布的影響

黃靖軒, 陶濤， 孫小雙, 路明*, 汪海倫

(1.河北工程大學(xué)水利水電學(xué)院， 邯鄲 056001； 2.海河水利委員會漳河上游管理局， 邯鄲 056001； 3.北京國土丹青工程技術(shù)有限公司， 北京 100089)

橋梁建成后，橋墩壓縮原有河道過水?dāng)嗝?，造成有效過流面積減小，導(dǎo)致局部水位壅高。同時，橋墩改變周圍流場，產(chǎn)生局部沖刷，影響橋墩安全。許多學(xué)者對順直河道內(nèi)橋梁鋪設(shè)進(jìn)行了深入研究。王開等[1]結(jié)合水工模型試驗資料，分析了用于橋墩阻水計算的D’Aubuisson公式、Yarnell公式、Henderson公式、無坎寬頂堰公式和修正Yarnell公式的適用條件。嚴(yán)建科等[2]在直線型水槽內(nèi)研究橋梁軸線與水流流向成不同夾角時的流速分布特性，發(fā)現(xiàn)多排橋墩會相互影響，靠近下游橋墩水流結(jié)構(gòu)會受到上游橋墩鄰近、剪切和尾流三種機(jī)制的影響。何貞俊等[3]對不同墩型引起的墩前水位壅高進(jìn)行分析，得到橋墩最優(yōu)側(cè)面曲線特征參數(shù)b′/L為 0.071～0.08，并給出不同水流夾角條件下墩型選用原則。孫東坡等[4]通過分析順直河道上斜交橋附近的水位與流速，改進(jìn)了計算斜交橋壅水的方法，并給出阻水寬度折算系數(shù)。在數(shù)值模擬方面，李彬等[5]使用MIKE21軟件對斜交橋河道局部流場進(jìn)行模擬，結(jié)果表明斜交橋阻水效果明顯，圓柱橋墩應(yīng)盡量順?biāo)鞑贾谩ＴS棟等[6]通過數(shù)值模擬對斜交橋墩壅水特性開展研究，發(fā)現(xiàn)最大水位壅高隨橋墩斜向角度先增大后減小。王玲玲等[7]利用數(shù)值模擬研究平原河道橋墩阻水比與壅水特性關(guān)系，發(fā)現(xiàn)阻水比7%是平原河道橋前水位壅高特性的重要分界點。

圖1 模型試驗系統(tǒng)Fig.1 Model test system

在自然界中，彎曲型河流是常見的河流形態(tài)，具有極為復(fù)雜的三維水流特征。目前有關(guān)彎道水流特有的水力特性前人已經(jīng)進(jìn)行了廣泛的研究，白玉川等[8]研究了常曲率U型彎道典型斷面的水流紊動特性，揭示了彎道水流的三維特性和分布規(guī)律。曹玉芬等[9-10]研究了連續(xù)曲率彎道水槽水流結(jié)構(gòu)變化，發(fā)現(xiàn)水面在彎道處發(fā)生扭曲，最大橫比降位于各彎段彎頂下游。王路等[11]對壅水條件下彎道流速分布規(guī)律進(jìn)行研究，結(jié)果表明壅水程度越大，流速分布越均勻。馬淼等[12]對7種不同彎曲度的彎道進(jìn)行數(shù)值模擬，研究了彎道彎曲度對水流結(jié)構(gòu)的影響。童思陳等[13]研究了彎道水流縱向流速剖面的變化，給出了流速剖面沿程和橫向的變化趨勢。凃洋等[14]對180°彎道水槽內(nèi)的水流表面縱向、橫向流速進(jìn)行測量與分析，研究了兩者的分布規(guī)律。對于在彎曲河道內(nèi)布設(shè)橋墩的研究成果目前較少。路明等[15]通過模型試驗，研究了彎曲河道內(nèi)橋墩布設(shè)對河道沖刷及防洪安全的影響。郭輝等[16]研究了彎道處橋墩水流沖擊規(guī)律，發(fā)現(xiàn)凹岸橋墩所受水流沖擊力大于凸岸。實際工程中，彎曲河道內(nèi)橋墩對流速的影響較大，而此方面的研究還相對較少，因此現(xiàn)設(shè)計相關(guān)試驗，研究橋墩阻水比對彎道河流水力特性的影響，以期為實際工程提供指導(dǎo)。

1 試驗設(shè)計

1.1 試驗系統(tǒng)

模型試驗在室內(nèi)有機(jī)玻璃水槽中進(jìn)行。彎道試驗水槽圓心角為45°，內(nèi)徑4 m，外徑4.8 m，寬0.8 m，高0.4 m，彎曲段中心線曲率半徑為4.4 m。模型循環(huán)系統(tǒng)主要由進(jìn)水槽、引流直線段、彎道試驗段、尾水段及控制尾門、蓄水池、供水系統(tǒng)、流量計等部分組成，在直線段內(nèi)設(shè)有兩道穩(wěn)水柵。試驗過程中，通過進(jìn)水管道閥門控制上游來流流量，控制尾門開度來調(diào)節(jié)水位。流量計量采用電磁流量計，計量精度為0.01 L/s。模型試驗系統(tǒng)如圖1所示。

1.2 橋墩布置

橋墩阻水比M即橋墩阻水面積與過流面積之比。本文研究中橋梁共分4組，每組橋梁布置5個圓形橋墩，直徑分別為1.5、2、2.5、3 cm，相鄰橋墩間距為17.5 cm，對應(yīng)阻水比分別為9.4%、12.5%、15.6%和18.8%。兩側(cè)邊墩距水槽邊壁5 cm。橋梁與水流流向正交布置。

1.3 流速測量

橋墩上下游布設(shè)8個測量斷面，其中，斷面1、斷面5、斷面8布設(shè)9條垂向測線，其他斷面各布設(shè)5條垂向測線，并在各條垂線上布置6～8個流速測點，測量斷面布置如圖2所示。水流流速采用挪威Nortek AS公司三維點式超聲波流速儀測量，利用Data Conversion命令將測得的流速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成由流速值組成的流速系列，取平均值作為測點流速。

1.4 試驗工況

試驗采取兩種來流流量，由尾門調(diào)節(jié)水深和流速，試驗工況如表1所示。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 主流位置變化規(guī)律

以進(jìn)口水深7.72 cm、弗勞德數(shù)Fr=0.50工況為例，無橋墩時彎道水槽內(nèi)斷面1、5、8內(nèi)流速分布情況如圖3所示。

從圖3看出，橋墩布設(shè)前受彎道環(huán)流影響，水槽內(nèi)水流流速最大值由斷面1距凸岸22.5 cm逐漸偏移至斷面5距凸岸40 cm，進(jìn)而發(fā)展至斷面8距凸岸48.8 cm，表明主流位置在彎道進(jìn)口處偏向凸岸一側(cè)，隨流程增加逐漸向凹岸偏移。

布設(shè)橋墩后，河道斷面流速分布如圖4所示。從圖4中可以看出，主流位置發(fā)生改變。相對于無橋工況，阻水比為9.4%和12.5%時，流速最大值由斷面1距凸岸31.3 cm處偏移至斷面8距凸岸 40 cm 處；而阻水比為15.6%和18.8%時，流速最大值則由斷面1至斷面8一直維持在距凸岸40 cm附近。由于橋墩阻滯作用造成流速減小，且阻水比越大流速越小，水流流經(jīng)彎道時產(chǎn)生的離心力隨之減小，減緩了水流向凹岸偏移的趨勢，因此水流主流趨于集中在彎道水槽中間部位，且隨橋墩阻水比增大，彎道內(nèi)主流位置更加趨于集中在中間部位。

圖2 橋墩上下游測量斷面布置Fig.2 Layout of measuring sections upstream and downstream of piers

表1 試驗工況及水力學(xué)參數(shù)

圖3 無橋墩時典型斷面內(nèi)流速分布Fig.3 Velocity distribution in typical section without pier

圖4 典型斷面內(nèi)流速分布Fig.4 Velocity distribution in typical section

2.2 縱向流速垂線分布

彎道水流縱向流速垂線分布與順直河道差別很大，橋墩布設(shè)后使得彎道水流縱向流速分布更加復(fù)雜。為研究不同阻水比下縱向流速u沿垂線的分布規(guī)律，選取墩前斷面3與墩后斷面4為典型斷面，分別選擇靠近凸岸、中心線和凹岸三條測線作為研究對象，繪制不同工況的斷面縱向流速垂線分布圖。

2.2.1 墩前斷面

墩前斷面3縱向流速垂線分布如圖5所示。從圖5可以看出，兩組工況下，無橋墩時斷面縱向流速沿垂線分布沒有呈現(xiàn)出順直型河道中對數(shù)或指數(shù)流速分布形式，且在凸岸區(qū)、中心區(qū)和凹岸區(qū)呈現(xiàn)出不同程度的波動；布設(shè)橋墩后，隨著橋墩阻水比增加，墩前斷面內(nèi)縱向流速沿垂線分布更加均勻。

為進(jìn)一步比較各工況阻水比對縱向流速沿垂線分布的影響，進(jìn)行試驗結(jié)果方差分析。計算結(jié)果如表2所示。

(1)

表2兩組工況下，墩前斷面3縱向流速方差在凸岸區(qū)、中心區(qū)和凹岸區(qū)均呈現(xiàn)出隨阻水比增大而減小的趨勢，表明墩前縱向流速沿垂線分布的波動情況與阻水比呈負(fù)相關(guān)，阻水比越大，縱向流速波動越小，沿垂線分布越均勻。原因在于阻水比增加，橋墩對水流的阻滯作用增強(qiáng)，使得墩前水位壅高增大，如圖6所示。

圖5 墩前斷面3縱向流速沿垂線分布Fig.5 Distribution of longitudinal velocity along vertical line of section 3 in front of piers

表2 墩前斷面3縱向流速方差比較

為探究弗勞德數(shù)與阻水比對墩前縱向流速分布影響的關(guān)系，分別計算兩組工況的墩前斷面3縱向流速方差變化率，如表3所示。由表3可得，F(xiàn)r=0.28和Fr=0.21兩組工況下其減小范圍分別在39%～94%和44%～97%，且Fr=0.28工況下其減小程度小于Fr=0.21工況，表明相同阻水比工況弗勞德數(shù)越大，阻水比對墩前流速分布的影響程度越小。

2.2.2 墩后斷面

橋墩附近水流結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，橋墩迎水面和兩側(cè)繞流在床面附近形成馬蹄渦對墩后縱向流速沿垂線分布形式產(chǎn)生影響。各工況墩后縱向流速沿垂線分布如圖7所示。

圖6 墩前斷面3水位壅高Fig.6 Backwater level of section 3 in front of piers

圖7 墩后斷面4縱向流速沿垂線分布Fig.7 Distribution of longitudinal velocity along vertical line of section 4 behind piers

由圖7可以看出，布設(shè)橋墩后，墩后縱向流速沿垂線分布明顯發(fā)生變化。由于水流流經(jīng)橋墩時過水?dāng)嗝鎵嚎s，且阻水比越大，壓縮作用越強(qiáng)，墩后縱向流速分布形式愈發(fā)紊亂。表4中墩后縱向流速方差在研究區(qū)域均呈現(xiàn)出與墩前斷面相反的趨勢，墩后縱向流速沿垂線分布的波動情況隨阻水比增大而增大。

表3 墩前斷面3縱向流速方差變化率

表5中，F(xiàn)r=0.28和Fr=0.21兩組工況下墩后斷面4縱向流速方差變化率的增大范圍分別在20%～456%和55%～1 061%，F(xiàn)r=0.28工況下其增大程度也總是小于Fr=0.21工況，該趨勢與墩前斷面相同，阻水比對墩后縱向流速的影響隨弗勞德數(shù)增大而減小。

2.3 橫向流速垂線分布

橫向流速v是彎道水流的另一個重要特征。本文將同一來流條件下不同阻水比墩前斷面和墩后斷面的橫向流速沿垂線分布進(jìn)行對比，分析阻水比對橫向流速的影響。

2.3.1 墩前斷面

墩前斷面3橫向流速垂線分布如圖8所示。由圖8可以看出，無橋墩時受彎道離心力的影響，兩組工況下斷面3橫向流速v的分布均為上部流向凹岸，近底處流向凸岸，形成環(huán)流。布設(shè)橋墩后，墩前橫向流速沿垂線分布隨阻水比增大愈發(fā)不均勻。

表4 墩后斷面4縱向流速方差比較

表5 墩后斷面4縱向流速方差變化率

表6中，墩后橫向流速方差在研究區(qū)域內(nèi)均隨阻水比的增大而增大，表明墩前橫向流速沿垂線分布與阻水比呈正相關(guān)。原因在于在壓縮水流作用下橋墩兩側(cè)形成左右交替分布的大流速水團(tuán)，影響了墩前橫向流速的垂線分布形式，阻水比越大，其影響程度越大，流速分布越紊亂。

由表7可得，F(xiàn)r=0.28和Fr=0.21兩組工況下墩前斷面3橫向流速方差變化率的增大范圍分別在7%～106%和28%～623%，F(xiàn)r=0.28工況下其增大程度均小于Fr=0.21工況，表明弗勞德數(shù)越大，阻水比對墩前橫向流速的影響越小。

2.3.2 墩后斷面

墩后斷面4橫向流速垂線分布如圖9所示。由圖9可以看出，布設(shè)橋墩后，墩后橫向流速沿垂線分布與阻水比呈正相關(guān)，墩后橫向流速方差與阻水比的關(guān)系同墩前一致(表8)。由于墩側(cè)邊界層的分離在墩后產(chǎn)生尾流漩渦，影響了墩后橫向流速的垂線分布形式，且阻水比越大，影響越深，因而其分布形式越紊亂。而弗勞德數(shù)與阻水比對墩后橫向流速影響的關(guān)系同墩前也一致(表9)。

由圖9可以看出，布設(shè)橋墩后，墩后橫向流速沿垂線分布與阻水比呈正相關(guān)，墩后橫向流速方差與阻水比的關(guān)系同墩前一致(表8)。由于墩側(cè)邊界層的分離在墩后產(chǎn)生尾流漩渦，影響了墩后橫向流速的垂線分布形式，且阻水比越大，影響越深，因而其分布形式越紊亂。而弗勞德數(shù)與阻水比對墩后橫向流速影響的關(guān)系同墩前也一致(表9)。

圖8 墩前斷面3橫向流速沿垂線分布Fig.8 Distribution of transverse velocity along vertical line of section 3 in front of piers

表6 墩前斷面3橫向流速方差比較

表7 墩前斷面3橫向流速方差變化率

3 結(jié)論

通過對不同橋墩阻水比下彎道流速分布規(guī)律進(jìn)行研究，得出以下主要結(jié)論。

(1)布設(shè)橋墩后，彎道水槽試驗段內(nèi)主流位置整體向中間偏移，隨阻水比的增大，主流位置更加趨于集中在河道中間部位。

(2)不同弗勞德數(shù)工況下，隨阻水比的增大，墩前水位壅高逐漸增大，墩前縱向流速方差均減小，垂線流速分布更加均勻；墩后縱向流速方差均增大，沿垂線分布更加紊亂。橫向流速方差在墩前和墩后斷面均增大，其在墩前與墩后沿垂線分布均更加紊亂。

(3)不同弗勞德數(shù)工況下，受大弗勞德數(shù)工況更不穩(wěn)定的水流結(jié)構(gòu)影響，無論在墩前與墩后斷面，橋墩阻水比對縱向流速和橫向流速分布的影響均隨Fr增大而減小。

圖9 墩后斷面4橫向流速沿垂線分布Fig.9 Distribution of transverse velocity along vertical line of section 4 behind piers

表8 墩后斷面4橫向流速方差比較

表9 墩后斷面4橫向流速方差變化率