[科普中国]-桥墩局部冲刷

桥墩局部冲刷三维性态发展概述

基础结构的冲刷病害是当今桥梁结构功能失效、丧失其安全性能的最主要原因之一． 以美国为例，从 1966 年至 2005 年，全美倒塌桥梁( 1 502 座)中 58% 的破坏桥梁与桥梁基础结构的冲刷病害有关，美国交通部已将桥梁基础冲刷看作是高速公路桥梁结构功能及安全性能失效的最常见原因之一．据美国交通安全委员会统计，每年用于修复及弥补遭受基础冲刷病害桥梁的费用平均高达 3000 美元事实上，冲刷模型实验是较为常见的局部冲刷预测方法，且桥墩几何形态与实际能够最大限度保持一致，但实验人力物力花费较高，无法广泛应用于一般中小跨桥梁设计，而冲刷却往往发生在这些普通跨径桥梁之中． 另外，规范建议的冲刷深度计算公式逐渐成为桥梁基础冲刷深度预测的主要理论依据，该方法简单实用，可快速对桥梁基础冲刷病害进行预判． 但是计算假设条件苛刻，参数单一，计算结果难以保证准确，更无法给出冲刷三维性态．所以，现阶段桥梁设计一般仅以简化发展趋势为一维的冲刷深度为设计条件来进行基础设计但是，冲刷并不是一个简单的一维事件，它是一个随时间不断变化的实时复杂三维事件． 显然，在桥梁设计中，不仅冲刷深度是关键设计参数，冲刷三维性态的发展趋势，包括最深冲刷深度所对应的平面位置，更是与桥梁基础结构力学性能、耐久性能息息相关的影响因素．近年来，国内外学者针对桥墩冲刷三维性态发展开展了一系列研究，但研究多以单圆柱( 墩) 冲刷为研究对象，因而研究成果不 能 完 全 应 用 于 实 际 桥 梁 基 础 结 构 设计中 ．

本文针对以上问题，选用基于动网格自更新技术的三维 CFD 冲刷模型，对 3 种典型桥墩结构形式( 单柱墩、双柱墩、排墩) 及桥墩冲刷三维性态发展进行数值跟踪． 参照经典 B． W． Melville 实验环，分别对 3 种典型桥墩周边河床的冲刷深度、境冲刷坑形态、冲刷影响区域进行数值分析，得出各自的发展趋势与性态特征，通过对比结构形式对局部冲刷三维性态发展的影响，说明区分桥墩结构形式对冲刷分析的必要性与重要性．研究成果可对桥墩选型、冲刷监控方案设计以及更复杂的冲刷理论计算公式建立理论基础及提供理论依据．

1三维CFD 冲刷模型流场模型建立

本研究中三维CFD 冲刷模型将基于B．W．Melville 经典冲刷试验，采用CFD 流体动力学有限元计算软件Fluent(ANSYS)进行建模．B．W．Mel-ville 试验水槽长19 m，宽45．6 cm，在水槽中放置直径为5．08 cm 的圆柱作为桥墩模型，圆柱形桥墩中心距水槽两侧的距离为22．8 cm，床底泥沙平均粒径d50为0．385 cm，水流平均速度为0．25 m /s，床面倾角为1 /10 000 ．根据 Sarker的研究结论，圆柱下游 12 倍直径距离以外流动不受圆柱的影响． 故本次研究为节省计算时间，基于 B． W． Melville 试验数据，三维CFD 冲刷数值模型总长度选为 20d( d 为圆柱桥墩直径，20d = 101． 6 cm) ，桥墩中心距下游出流距离为 14d，满足大于 12d 的要求，桥墩中心距上游进口距离为 6d，计算宽度为 45． 6 cm，高度为 15 cm．虽然六面体结构化网格计算效率和计算精度均较高，但与四面体非结构化网格相比，四面体的非结构化网格的适应性以及网格的变形能力均较．特别是对于局部冲刷，这种局部变形非常剧强烈，且变形不规则，采用六面体结构化网格很难适应变形的需要．故本研究采用四面体非结构化网格进行流场网格划分，同时在桥墩附近以及流场底部加密网格以满足桥墩附近及河床处复杂水流结构的计算要求．

由于是瞬态问题，必须提供流场的初始条件．此处主要是指流场速度进口的初始条件，可通过选取与计算模型尺度相同的长方体模型来获得，而流出边界采用自由出流边界条件 为了获得速度分布，本研究选取与数值模型尺度相同的长方体模型来获得进口的速度分布．

2数值模型验证为验证本研究建立的冲刷模型的准确性，将其流场、冲刷坑以及冲刷深度的计算结果与B．W．Melville 经典试验结果进行对比．由于为单柱墩试验，所以其准确性验证仅针对单柱墩数值模型进行．

数值计算得到的30 min 桥墩局部冲刷坑形态， B．W．Melville 试验中30 min 桥墩局部冲刷坑的地形等高线图．可以看出，大部分区域数值计算地形等高线与试验结果吻合．在B．W．Melville 试验中，进行到约2．5 h 时达到冲刷平衡，此时平衡冲刷深度约为6 cm，其中试验进行到30 min 时的冲刷深度为4 cm．由此可见冲刷前30 min 发展较为剧烈，冲刷发展也较为充分，而之后冲刷发展开始缓慢．由于计算机硬件限制，本次研究仅对前30 min 冲刷发展进行分析，计算得到的前30 min 最大冲刷深度为4．4 cm ．与B．W．Melville 试验结果相比，同时考虑到泥沙输运理论与实际泥沙输运本身存在的一定差异性，可以认为本次冲刷数值模型对于局部冲刷深度的计算具备可信性．

综上所述，无论从平面形态还是深度发展，无论从流场还是河床角度，本文建立的计算模型均可以准确地对桥墩周边流场以及局部冲刷进行数值模拟，并得到正确的计算结果．

3桥墩结构形式影响分析基于3 种桥墩以及流场的数值模型 ，利用准确性经过验证的计算方法，进行桥墩结构形式对局部冲刷三维性态发展的影响研究．

3．1 冲刷深度对比分析

对于单柱墩冲刷模型，前30 min 的最大冲刷深度为4．4 cm，最大冲刷深度位置发生在桥墩侧面偏迎水面方向位置．在整个模拟过程中，前5 min 桥墩局部冲刷发展最为剧烈，最大冲刷深度发展较快，在5 ～25 min 冲刷发展的速度较为一致，发展速度居中，25 min 以后冲刷开始减缓．事实上，局部冲刷的发展速度是由流场和泥沙2个因素变化共同控制的．在前期，由于最大切应力比临界起动切应力数值大得多，因此前期冲刷发展很快．对于后期由于底部边界的下切，流场运动的空间增大，必定会导致流动的减弱，对于泥沙携带能力的减弱，从而导致冲刷变缓．

对于双柱墩冲刷模型． 可以看出双柱墩条件下前后两墩的冲刷深度存在明显差别，后墩冲刷深度明显比前墩要小很多，同时双柱墩条件下不存在明显的沙脊．但是在整个计算时间内，冲刷深度发展趋势和单柱墩相似．

对比单柱墩，排墩冲刷深度沿水流方向垂直排墩向后发展不明显，主要沿排墩侧面发展．单柱墩、双柱墩以及排墩的整体最大冲刷深度随时间的变化．从冲刷深度来看，在同等流场环境(B．W．Melville 试验环境)下，排墩的最大冲刷深度最大，双柱墩次之，单柱墩的最大冲刷深度最小．虽然双柱墩的前墩最大冲刷深度较单柱墩有所增加，但后墩的最大冲刷深度减小很多，这主要是由于前墩对水流的阻挡作用使后墩处水流强度减弱．三者均在冲刷初期发展相对较快，后期冲刷深度发展均存在减弱趋势．

另外，从最大冲刷深度位置来看，双柱墩条件下，整体最大冲刷深度位置仍与单柱墩相似; 而排墩最大冲刷深度发生在较排墩一侧中心线偏后方向．

3．2 冲刷坑形态对比分析

由于冲刷坑为三维形态，为更精细地观察，在冲刷坑内部进行截面切片横向为沿水流流向X 方向，纵向为沿Y 方向，每隔0．25d 作截面切片．沿水流方向局部冲刷的影响范围为距离排墩外侧0．5d．排墩条件下，排墩迎水流正前方的局部冲刷发展并不明显．综上可以看出，3 种桥墩结构形式对冲刷三维形态发展有显著影响．

3．3 冲刷影响范围对比

基于3．2 节对冲刷形态的分析结果，可以分别得出3 种桥墩结构形式下，30 min 桥墩局部冲刷的影响区域 ．桥墩周围的局部冲刷影响区域具有重要意义，它为以后局部冲刷前处理加密网格指出了方向以及加密的具体范围，也为实际桥梁冲刷深度监测范围提供了理论参考依据．可以看出，不同桥墩形式对局部冲刷影响区域的影响非常明显，因此，必须针对不同桥墩形式分别进行考虑．

通过以上对比分析，可以看出桥墩结构形式对局部冲刷分析结果会产生显著影响，不同的桥墩结构形式会导致冲刷性态三维发展相异，如简一种桥墩形式的冲刷分析结论直接应用到其他桥墩形式上，会产生较大误差，结果将明显不可信．

4结论1)从最大冲刷深度来看，排墩最大，双柱墩次之，单柱墩最小; 从最大冲刷深度位置来看，双柱墩整体最大冲刷深度位置与单柱墩相似，而排墩最大冲刷深度发生在排墩一侧较排墩中心线偏后方向．

2)3 种桥墩结构形式无论对垂直还是平行于纵桥向的冲刷坑形态发展均有显著影响．

3)3 种桥墩结构形式有着完全不同的局部冲刷影响区域．该区域为局部冲刷前处理加密网格指出了方向以及加密的具体范围，也为实际桥梁冲刷深度监测范围提供了理论参考依据，必须针对不同桥墩形式分别进行考虑．

本研究成果可对桥墩选型、冲刷监控方案设计以及更复杂的冲刷理论计算公式建立理论基础及提供理论依据．但由于泥沙运动的不确定性，现阶段泥沙输运模型与实际仍存在差异，未来将探索随机运动理论在冲刷计算中的应用，进而采用更加符合实际情况的泥沙输运模型来提高冲刷数值计算的准确性．另外，将桥墩结构形式参数化，进而对桥墩设计参数进行更为系统的局部冲刷参数分析，以期得到更为普遍性的结论．同时河床物理参数对桥墩冲刷的影响研究也正在进行中，包括冲刷防护措施的设计理论．1