基于三維水動(dòng)力模型橋梁附著式防撞設(shè)施壅水?dāng)?shù)值研究

施曉歡

(上海諾山工程設(shè)計(jì)咨詢有限公司，上海 200333)

1 概述

上海市地處平原河網(wǎng)地區(qū)，內(nèi)河航道以受潮汐影響的感潮航道和水面狹窄且對(duì)船舶航行有明顯限制作用的閘控航道為主，總里程近2100km，其水運(yùn)交通對(duì)上海城市建設(shè)和發(fā)展發(fā)揮著重要作用。全市內(nèi)河航道上現(xiàn)有跨河設(shè)施(含橋梁、管線)3700余座(條)，其中跨河橋梁3100余座，平均每隔560m就有1座。其中大部為城區(qū)內(nèi)跨中小航道的橋梁。

隨著近年航道條件的改善，上海市內(nèi)河通航船舶日趨大型化，給跨航道橋梁帶來(lái)的安全風(fēng)險(xiǎn)與日俱增。為消除安全隱患，扎實(shí)推進(jìn)安全生產(chǎn)治理體系現(xiàn)代化，2021年上海市交通委員會(huì)開展內(nèi)河航道船舶碰撞橋梁隱患治理行動(dòng)，其中為現(xiàn)狀橋梁設(shè)置防撞設(shè)施為該治理行動(dòng)的重要組成部分。

經(jīng)調(diào)查，上海內(nèi)河跨航道橋梁現(xiàn)狀已建的防撞設(shè)施型式主要為獨(dú)立式防撞墩和附著式防撞設(shè)施，其中附著式防撞設(shè)施較為常用，其安裝于橋墩內(nèi)側(cè)，因此增加橋墩阻水面積，占用河道過(guò)流斷面，加大墩前壅水高度。目前對(duì)雍水計(jì)算的方法主要有公式法和數(shù)學(xué)模型有限元計(jì)算法，大型項(xiàng)目需要采用物理模型試驗(yàn)。然而公式法主要為經(jīng)驗(yàn)公式，存在一定的局限性；中小型項(xiàng)目資金受限，難以實(shí)施大規(guī)模的物模試驗(yàn)。故基于三維水動(dòng)力模型的數(shù)值模擬方法應(yīng)用日益廣泛。

本文基于k-omega湍流模型，針對(duì)上海市某閘控航道橋梁橋區(qū)水域建立三維數(shù)值模型，采用VOF方法模擬自由表面，分析橋梁現(xiàn)狀及不同型式的防撞設(shè)施所產(chǎn)生的壅水高度，為新建附著式防撞設(shè)施涉河影響論證提供參考。

2 工程概況

2.1 橋梁概況

由于上海市內(nèi)河航道中小橋梁占全市航道橋梁比重較大，故中小橋梁橋墩布設(shè)防撞設(shè)施對(duì)河道行洪影響分析具有一定的研究意義，本次選取上海市某中橋進(jìn)行分析。該橋梁三跨過(guò)河，橋梁總長(zhǎng)40m，跨徑組合(12+16+12)m，通航孔凈寬14.2m，橋面總寬為30.6m。橋梁上部結(jié)構(gòu)為鋼筋砼空心板梁，下部結(jié)構(gòu)為蓋梁柱式墩。橋梁結(jié)構(gòu)尺寸如圖1所示(尺寸單位為mm、高程為上海吳淞高程系，下同)。

圖1 橋梁結(jié)構(gòu)圖

2.2 航道概況

2.3 擬建防撞設(shè)施

根據(jù)DG/TJ 08—2116—2020《內(nèi)河航道工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》12.2.3條，在計(jì)算橋墩紊流寬度公式中，針對(duì)橋墩的不同形狀分別采用各自的形狀系數(shù)參與計(jì)算，其列取了圓頭、方頭、尖頭等。故本文分析選取圓頭、方頭和尖頭防撞設(shè)施分別研究形狀對(duì)壅水高度的影響。

擬建防撞設(shè)施采用附著式，布置于通航孔橋墩承臺(tái)四周，采用固定式復(fù)合材料。該復(fù)合材料主要由纖維復(fù)合材料外面層殼體、腹板增強(qiáng)纖維復(fù)合材料空間格構(gòu)體和增強(qiáng)聚氨酯彈性填充材料體組成，防撞設(shè)施最小厚度30cm。平面布置如圖2所示。

圖2 附著式防撞設(shè)施布置圖

3 數(shù)值計(jì)算模型

3.1 控制方程

本次采用標(biāo)準(zhǔn)κ-ω模型，其是一種基于湍流能量方程和擴(kuò)散速率方程的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停紤]了低雷諾數(shù)、可壓縮性和剪切流傳播，可以很好地處理近壁處低雷諾數(shù)的數(shù)值計(jì)算。標(biāo)準(zhǔn)κ-ω模型的湍動(dòng)能及其比耗散率輸運(yùn)方程為:

(1)

式中，Gk—由層流速度梯度產(chǎn)生的湍流動(dòng)能;Gω—由ω方程產(chǎn)生的湍流動(dòng)能;Tk、Tω—k和ω的擴(kuò)散率;Yk、Yω—由擴(kuò)散而產(chǎn)生的湍流。

3.2 體積函數(shù)法

本次對(duì)自由液面的模擬采用體積函數(shù)法(VOF)。在水氣兩相流計(jì)算中，對(duì)于單一網(wǎng)格計(jì)算單元，令aW為水的體積分?jǐn)?shù)，則有：

aW=VW/VC

(2)

式中，VW—水的體積；VC—網(wǎng)格單元的體積。當(dāng)aW=1或aW=0時(shí)，表示計(jì)算單元內(nèi)全為空氣或者水，當(dāng)0

(3)

對(duì)于計(jì)算單元中的其他參數(shù)，可以根據(jù)下式進(jìn)一步求解，下標(biāo)W表示水，A表示空氣：

（2）完善專業(yè)技術(shù)人員職稱評(píng)審制度。建立激勵(lì)創(chuàng)新和科技成果轉(zhuǎn)化的職稱評(píng)審導(dǎo)向，在高新技術(shù)企業(yè)、大型骨干企業(yè)中開展職稱自主評(píng)價(jià)試點(diǎn)。開通優(yōu)秀人才職稱評(píng)審“直通車”，對(duì)高層次人才、成果顯著的優(yōu)秀中青年專業(yè)技術(shù)人才制定相應(yīng)的破格條件。

φ=aWφW+(1+aW)φA

(4)

式中，φ—網(wǎng)格內(nèi)其他參數(shù)，如密度、分子黏性系數(shù)等。

3.3 模型網(wǎng)格劃分

本次模擬橋區(qū)水域，簡(jiǎn)化后的尺寸為120m(長(zhǎng))×30m(寬)，橋墩順?biāo)鞣较虿贾?，與航道及水流方向平行。計(jì)算區(qū)域采用六面體和四面體網(wǎng)格剖分，并于河底、橋墩邊壁附近加密網(wǎng)格，以提高自由表面的分辨精度和橋墩附近流場(chǎng)的模擬精度，橋區(qū)水域網(wǎng)格數(shù)量為2.65e+5，節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為5.13e+4。模型及網(wǎng)格劃分如圖3—4所示。

圖3 幾何模型

圖4 網(wǎng)格劃分俯視圖

3.4 邊界條件

河道上游入口：流速v=0.5m/s(閘控航道，流速可控)，水位H1=2.80m；河道下游出口：水位H2=2.80m；四周邊壁及橋墩采用無(wú)滑移壁面。計(jì)算區(qū)域初始化：從河道入口開始計(jì)算。邊界條件如圖5所示。

圖5 邊界條件示意圖

4 模擬結(jié)果及分析

4.1 防撞設(shè)施形狀對(duì)流態(tài)分布的影響分析

如圖6所示為無(wú)設(shè)施、圓頭、方頭、尖頭4種防撞設(shè)施工況下河道近表面橫向流速云圖及矢量圖，流速增加及墩前緩流寬度統(tǒng)計(jì)表見表1。

圖6 近表面橫向流速云圖及矢量圖

表1 流速增加及墩前緩流寬度統(tǒng)計(jì)表

承臺(tái)前的河道內(nèi)流體速度穩(wěn)定，各速度矢量相互平行且均勻，經(jīng)過(guò)橋梁位置時(shí)，由于承臺(tái)及防撞設(shè)施縮窄了河道過(guò)流斷面，阻擋并改變了原縱向水流方向，使得水流向承臺(tái)兩側(cè)擴(kuò)散，同時(shí)使得承臺(tái)兩側(cè)流速增加，根據(jù)圖6和表1中承臺(tái)迎水面流速分布，圓頭防撞設(shè)施工況較無(wú)設(shè)施工況流速變化不明顯，兩種工況均增加0.12m/s；方頭防撞設(shè)施工況承臺(tái)兩側(cè)流速最大，達(dá)到0.71m/s；由于尖頭防撞設(shè)施水流排導(dǎo)效果較好，流速增加最小，較河道正常流速增加0.1m/s。根據(jù)圖6和表1承臺(tái)前緩流區(qū)寬度分布，4種工況下阻水影響：方頭>圓頭>無(wú)設(shè)施>尖頭。

4.2 防撞設(shè)施形狀對(duì)壅高分布的影響分析

如圖7所示為無(wú)設(shè)施、圓頭、方頭、尖頭4種防撞設(shè)施工況下承臺(tái)前壅高分布云圖，4種工況下承臺(tái)中心位置壅高水面線如圖8所示。

圖7 承臺(tái)前壅高分布圖

圖8 四種工況下承臺(tái)中心位置壅高水面線

其中方頭防撞設(shè)施前端壅高最大，達(dá)到0.142m；無(wú)設(shè)施工況和圓頭防撞設(shè)施工況，此2工況端頭形狀一致，均為圓形，圓頭防撞設(shè)施工況相較現(xiàn)狀承臺(tái)變化主要為兩側(cè)增加30cm的厚度，此兩工況壅高分別為0.128、0.130m，較為接近，且承臺(tái)前壅高曲線分布也相似，圓頭防撞設(shè)施工況壅高整體略高于無(wú)設(shè)施工況；尖頭防撞設(shè)施前端壅高最小，為0.088m，約為方頭防撞設(shè)施最大壅高的0.6倍，水流排導(dǎo)效果最好。

承臺(tái)前不同位置的水面壅高結(jié)果見表2。4種工況綜合來(lái)看，距承臺(tái)0.5m水面壅高普遍降至0.03m，承臺(tái)前2m之后水面壅高均能降至0.001m，可見承臺(tái)前整體壅水長(zhǎng)度較短。其中尖頭防撞設(shè)施工況壅水長(zhǎng)度最小，壅水長(zhǎng)度(>0.001m)約2.0m；無(wú)設(shè)施、圓頭防撞設(shè)施、方頭防撞設(shè)施工況壅水長(zhǎng)度較為接近，壅水長(zhǎng)度(>0.001m)均為2.5m。

表2 4種工況下承臺(tái)前不同位置壅水計(jì)算值

4.3 防撞設(shè)施厚度對(duì)壅高分布的影響分析

根據(jù)上文防撞設(shè)施形狀對(duì)流態(tài)分布和壅高分布的影響分析，擬優(yōu)先選用尖頭防撞設(shè)施。但由于抗撞性能的要求。防撞設(shè)施厚度會(huì)適當(dāng)調(diào)整，上海地區(qū)中小河道防撞設(shè)施厚度30～60cm不等，故本次分別選用30、40、50、60cm 4種不同厚度的防撞設(shè)施分析厚度對(duì)壅高分布的影響。

防撞設(shè)施不同厚度工況下承臺(tái)前壅高分布云圖如圖9所示，不同厚度工況下承臺(tái)中心位置壅高水面線如圖10所示。各工況下承臺(tái)前壅高水面線水位統(tǒng)計(jì)值見表3。

表3 防撞設(shè)施不同厚度工況下承臺(tái)前不同位置壅水計(jì)算值

圖9 防撞設(shè)施不同厚度工況下承臺(tái)前壅高分布圖

圖10 防撞設(shè)施不同厚度工況下承臺(tái)中心位置壅高水面線

隨著防撞設(shè)施厚度增加，承臺(tái)位置阻水寬度相應(yīng)增大，壅水加高。30、40、50、60cm厚度工況下最大壅高分別為0.088、0.095、0.106、0.110m，每增加10cm厚度，壅高增加0.004～0.011m。距承臺(tái)越遠(yuǎn)，各工況下壅高差距越小，最終水面線趨于重合。距承臺(tái)距離2m之后，各工況壅水高度均降至0.001m以下，整體壅水長(zhǎng)度較短。

5 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型的原理，通過(guò)有限元計(jì)算現(xiàn)狀橋墩承臺(tái)前壅水高度，并對(duì)設(shè)置等厚不同形狀防撞設(shè)施后流態(tài)和壅高進(jìn)行了分析，隨后基于分析結(jié)果，選取最優(yōu)方案，并驗(yàn)算不同厚度防撞設(shè)施對(duì)承臺(tái)前壅高的影響，得出以下結(jié)論。

(1)新建附著式防撞設(shè)施安裝于承臺(tái)兩側(cè)，占用河道過(guò)流斷面，增加承臺(tái)前壅水高度。

(2)方頭防撞設(shè)施前端壅高最大，其次是圓頭和無(wú)設(shè)施工況，尖頭防撞設(shè)施壅高最小，說(shuō)明其水流排導(dǎo)效果最好。

(3)無(wú)設(shè)施工況和圓頭防撞設(shè)施工況，此兩工況端頭形狀一致，均為圓形，圓頭防撞設(shè)施工況相較現(xiàn)狀承臺(tái)變化主要為兩側(cè)增加30cm的厚度，此兩工況流態(tài)分布及壅高曲線均較為接近，距承臺(tái)不同距離的水位壅高相差不大，說(shuō)明端頭形狀為影響壅高的主要因素。

(4)尖頭防撞設(shè)施不同厚度工況下，承臺(tái)前水位壅高與防撞設(shè)施厚度正相關(guān)。且距承臺(tái)越遠(yuǎn)，各工況下壅高差值越小，最終水面線趨于重合。

(5)建議防撞設(shè)施設(shè)計(jì)單位應(yīng)考慮防撞效果和防汛影響之間的關(guān)系，綜合考慮防撞設(shè)施型式和厚度的選擇。

(6)本文未考慮風(fēng)速等影響因素，墩前實(shí)際壅高與風(fēng)速，波浪等均有關(guān)系，由于有限元計(jì)算與實(shí)際情況差異，其壅水計(jì)算值建議作為參考。