装配式桥墩防冲刷装置三维数值模拟

王炎; 杨蝶俪; 叶楠; 张楠楠

【期刊名称】《《低温建筑技术》》 【年(卷),期】2019(041)011 【总页数】5页(P72-75,84)

【关键词】新型; 防冲刷装置; 参数化; 数值模拟 【作 者】王炎; 杨蝶俪; 叶楠; 张楠楠

【作者单位】浙江理工大学建筑工程学院 杭州310018; 浙江存真土木工程技术有限公司 杭州310018 【正文语种】中 文 【中图分类】TU997 0 引言

桥墩作为一种重要的交通枢纽，对保证社会的经济发展、运输交通发展有着极为关键的作用。近年来，国内外的桥梁发生水毁的事件屡见不鲜，不管是沿海地区的特大型桥梁还是跨江大桥，甚至是边远山区的小桥，都受到了水流冲刷掏空的威胁[1,2]，墩周河床被冲刷，影响基础的稳定，进而影响到桥梁上部结构的稳定性。 针对这个现象，国内外专家都对桥梁基础安全问题引起了重视，对桥墩冲刷的相关问题进行了许多研究[3,4]。最近十几年，通过数值模拟对冲刷问题进行研究已经飞速发展，数值模拟方法已逐渐成为研究桥墩基础局部冲刷的重要方法。例如，

Saghravani等[5]利用Fluent中的欧拉三维两相流模型模拟了群桩基础线性排列的清水局部冲刷；Huang等[6]利用CFD模型研究了湍流对沉积物冲刷的影响；Kim等[7]对不同布置方式下的圆柱墩的清水冲刷进行了模拟，模拟测得的最大冲刷深度与实测值近似；熊文等[8]基于K-ε湍流模型建立了桥墩冲刷及冲刷环境数值仿真模型，利用Fluent二次开发，研究不同因素对桥墩冲刷的影响；王玉等[9]通过数值分析研究了简支桥桩基础的冲刷深度与其动力特性的关系，对桥梁冲刷深度的无损检测有一定的价值。结合众多专家的研究可以表明，数值分析可以有效模拟桥墩冲刷问题，是未来研究桥墩局部冲刷的一种主要方法。文中采用FLOW-3D三维计算仿真软件对该装置的防护效果进行模拟计算，模拟装置安装后对桥墩局部冲刷的影响，并深入研究装置的参数与冲刷效果的关系，对未来桥墩防冲刷装置的设计以及相关研究提供理论依据，供研究人员和技术人员参考，具有深远的经济效益和技术效益。 1 装配式桥墩防冲刷装置

鉴于防冲刷措施的重要性，国内外专家对桥梁基础冲刷防护方面做了大量研究[10]。Tafarojnoruz等[11]对墩前冲刷装置做了大量试验和现场测试；Lauchlan等[12]对抛石防护进行了大量研究；成兰艳等[13]提出了带单一挡板的环翼式桥墩，并对最佳位置进行了试验研究；陈兵等[14]利用扰流环影响马蹄涡的发展,从而减弱局部冲刷的效果。工程上现行的防护方式多以被动防护为主，主动防护为辅，存在着需要修缮维护，成本高，施工繁杂等不足，需要进行更多的研究以得到更优的防护措施。

文中针对桥墩冲刷的现状，提出了一种新型装配式桥墩防冲刷装置，如图1所示，装置包括桥墩本体、固定桩和防冲刷挡板。若干根固定桩固定在桥墩前方并排列成V字型，防冲刷挡板固定在固定桩。 图1 装配式桥墩防冲刷装置结构图

2 计算模型与验证 2.1 模型建立

利用FLOW-3D对装配式防冲刷装置进行数值模拟，模型由桥墩、防冲刷挡板、河床、水流组成。按照1：40的比例，桥墩直径设置为4cm，水深设置为10cm，河床厚度设置为2.5cm（模拟无防护冲刷时设置为4cm），数值模拟是为了验证此挡板对桥墩局部冲刷具有良好的防护效果以及研究挡板防护距离、防护高度、夹角角度这三个参数的最佳组合，因此模型采用RNGk-ε湍流模型对各种工况进行了模拟对比，共模拟了48组工况。为了节省计算时间，本模拟采用的是对称计算，利用嵌套网格对桥墩和挡板周围进行加密，网格总量在120～130万左右，网格划分如图2所示。 图2 网格划分 2.2 模型验证

首先验证模拟所设控制参数的可靠性，选取一组挡板防护的工况，将模拟的桥墩冲刷结果与对应的室内物理实验结果进行对比。图3（a）为本模型模拟水流冲刷后桥墩周围的冲刷形态，图3（b）为物理实验中冲刷后的墩周地形，两者相似度较高，由此可验证本模型所设参数符合要求，模拟效果较好。 图3 墩周冲刷形态对比 3 结果分析

3.1 防护后墩周冲刷形态和水力特性分析

图4为桥墩在挡板防护下产生的冲刷形态，水流冲刷使得挡板外侧产生了较大范围的冲刷，靠近挡板尾部处冲坑较深；桥墩侧面偏向迎水面处产生了较大面积的冲刷坑；桥墩前后和挡板内侧发生了泥沙淤积。 图4 挡板防护后的冲刷形态图

图5给出了距离河床2mm高处的数值流场流速流线图，可以看到水流遇到防护

挡板时，由于挡板的构造自然向两侧分流，挡板前不会产生马蹄形旋涡。水流流至挡板两侧时，水流流速逐渐增大，在挡板尾部达到顶峰，流过挡板后逐渐减小，挡板内部产生反向流速。水流流至桥墩前部时流速较小，遇到桥墩后沿墩壁向两侧绕流，分流的水流在流经桥墩时，两侧水流流速增大，流至墩后时流速减小。 图5 墩周附近流速流线图 3.2 防护模拟结果分析 3.2.1 挡板高度对冲刷的影响

为研究挡板高度对防护效果的影响，设置了4种高度，河床以上高度分别为 1/4h、1/2h、3/4h、h（h 为水深），数值为2.5、5、7.5、10cm。模拟了4种不同高度挡板防护下河床的冲刷情况。

图6分别为挡板夹角为 30°、45°、60°、75°的情况下，挡板离桥墩中心距离分别为10、14、16cm时4种不同高度挡板防护下墩侧最大冲刷深度的比较。可以分析得到，随着挡板的角度逐渐增大，墩侧的最大冲刷深度逐渐减小，到高度为7.5cm，即3/4h时，最大冲刷深度达到最小值，这是由于挡板高度增加以后，对挡板前水流的阻挡作用增大，从而减小了流至桥墩的水流，使得墩周的紊乱水流减弱，减小了水流对河床的冲刷，墩周的冲刷量急剧减小。随着挡板的高度继续增大，对水流的阻碍作用过大，反而加剧了水流的强度，增大了流至桥墩的水流强度，增强了墩周的紊乱水流，河床冲刷量急剧增大。

图6 不同高度挡板防护时最大冲深比较

将放置了不同高度防护挡板的工况墩周冲深与无防护时的冲深对比，很明显挡板对桥墩周围河床的水流冲刷有着较为明显的防护效果，不同参数挡板防护效果大约在37.5%～95%。

3.2.2 挡板距离对冲刷的影响

为研究挡板离桥墩中心的距离对桥墩冲刷的影响，设置了3种距离，分别为2.5D、3.5D、4D（D为桥墩直径），数值为10、14、16。文中已分析得到挡板最佳的高度为3/4h，因此后续的模拟高度采用最佳高度。模拟了3种不同距离挡板防护下河床的冲刷情况。

图7为挡板高度为3/4h时，挡板角度分别为30°、45°、60°、75°的情况下3种不同距离挡板防护下墩侧最大冲刷深度的比较。可以分析得到，随着挡板离桥墩中心的距离增大，墩侧的最大冲刷深度逐渐减小，当距离为14cm（3.5D）时，墩侧最大冲刷深度达到最小值，此时挡板的防冲刷效果最好，这是由于随着挡板离桥墩的距离增大，挡板阻挡水流的距离变大，被扰乱的水流范围变大变远，使得墩周的水流更加紊乱，无法形成漩涡，大大减少了对河床的冲刷，急剧减少了墩周的冲刷量，减小了墩周的冲刷坑。随着挡板离桥墩的距离继续增大，挡板作用的距离过远，对墩周水流的扰乱作用过小，使得防护效果逐渐减弱，冲刷深度逐渐增大。 图7 不同距离挡板防护时最大冲深比较

将不同距离挡板防护下的墩周冲刷与无防护时墩周的冲深相比较，可以得到，不同参数挡板的防护效果在37.5%～95%。 3.2.3 挡板夹角角度对冲刷的影响

为了研究防护角度对桥墩冲刷的影响，设置了4种角度，分别为 30°、45°、60°、75°，挡板高度及距离采用文中分析得到的最佳高度3/4h、最佳距离3.5D。模拟了4种不同夹角角度挡板防护下河床的冲刷情况。

图8为4种不同夹角角度的挡板防护下墩侧最大冲刷深度的比较。可看到，随着夹角角度的逐渐增大，墩侧最大冲刷深度逐渐减小，当夹角角度为60°时，墩侧冲刷深度达到最小值，此时挡板对墩周局部冲刷的防护效果最好，这是由于随着挡板夹角的增大，挡板阻碍水流的面积变大，同时利用挡板的导流作用，将流速较大的水流引流至远离桥墩的位置，使得墩周水流强度减小，减轻了水流对墩周泥沙的淘

刷，大大减少墩周河床泥沙的冲刷量，从而使得墩周冲刷坑深度急剧减小。随着夹角角度的继续增大，挡板垂直水流方向防护范围逐渐增大，但是顺水流方向防护范围逐渐减小，水流从挡板外侧绕流进挡板里侧，继而冲刷桥墩，增大墩周紊乱水流，增强对河床的淘刷，增大墩周河床泥沙的冲刷量，使得墩侧冲刷深度增大。 将不同夹角角度的挡板防护下的冲刷深度与无防护时墩周冲深对比，可以看到挡板的防护效果大约为37.5%～95%。 图8 不同夹角挡板防护时最大冲深比较 4 结语

文中以一种新型装配式桥墩防冲刷装置作为研究对象，利用流体力学有限元计算分析软件FLOW-3D对其进行数值模拟，主要研究挡板离桥墩中心距离、高度、夹角角度这三个参数对墩周冲刷深度的影响，从而研究防护装置最佳的参数设计。主要研究结论如下：

（1）本装置防冲刷设施结构简单，从桥墩周围局部冲刷机理入手，减小作为引起局部冲刷主因的墩前下降水流和墩周马蹄形旋涡，从而有效防冲刷，同时通过装置的挡板对水流进行引导，减弱尾流旋涡的强度，进一步起到减弱冲刷的作用。 （2）对比不同高度挡板防护下墩周的冲刷深度，可以看到，当高度为3/4h时，挡板的防护效果达到最优。

（3）对比不同夹角挡板防护下墩周的冲刷深度，可以看到，当角度为60°时，挡板的防护效果达到最优。

（4）对比不同距离挡板防护下墩周的冲刷深度，可以看到，当离桥墩中心距离为3.5D时，挡板的防护效果达到最优。

（5）对比不同挡板高度、不同挡板夹角角度、不同离桥墩中心距离的挡板与墩周最大冲刷深度关系以及与无防护时的墩周冲刷深度对比，可以得到，此挡板对墩周局部冲刷有着明显的防护效果，并且当高度为3/4h、夹角为60°、离桥墩中心距

离为3.5D时防护效果达到最优，可达到95%左右。

（6）本模拟依托于对应相同条件的室内物理实验，实验得到的规律与模拟所得保持一致，但由于桥墩周围的水流冲刷情况复杂多变，物理实验中挡板的防护没有模拟时的效果好，而模拟采用的是理想化条件，与实际存在一定的差距。

（7）从模拟分析的结果可以得到，利用FLOW-3D软件对提出的防护装置在墩周河床冲刷方面的防护效果进行模拟研究，相比物理模型实验，可以大大缩短模拟的时间，同时可以清楚地反映墩周河床受水流冲刷后的形态、产生的冲刷坑位置以及深度，对研究防护装置效果有着直观、简便的优势。本模拟研究可以对未来研究桥墩周围冲刷的防护装置提供一种思路和理论依据。 参考文献

【相关文献】

[1]倪志辉，王明会，张绪进.潮流作用下复合桥墩局部冲刷研究[J].水利水运工程学报,2013（2）:45-51.

[2]刘谨，刘芳亮，冯良平，等.某跨海大桥桥墩基础冲刷试验研究[J].公路,2012（10）:61-66. [3]熊文，张学峰，唐平波，等.基于上部结构振动响应的杭州湾大桥桥塔冲刷状态分析[J].东南大学学报（自然科学版）,2018,48（5）:871-877.

[4]王会利，叶浩，付裕.桥梁冲刷预估与监测措施[J].沈阳大学学报（自然科学版）,2014,26（4）:306-310.

[5]S F SAGHRAVANI,A AZHARI.Simulation of clear water local scour around a group of bridge piers using an Eulerian 3D,twophase model[J].Progress in computational fluid dynamics,2012,5（12）:333-341.

[6]HUANG WENRUI,YANG QIPING,XIAO HONG.CFD modeling of scale effects on turbulence flow and scour around bridge piers[J].Computers&fluids.2009,38（5）:1050-1058.

[7]HYUNG SUK KIM,MOHAMED NABI,ICHIRO KIMURA,et al.Numerical investigation of local scour at two adjacent cylinders[J].Advances in water resources.2014（70）:131-147. [8]熊文，姚浩，Cai CS,等.冲刷环境对桥墩冲刷空间形态影响的仿真分析[J].哈尔滨工业大学学

报,2016,48（3）:108-114.

[9]王玉，贾承岳，梁发云，等.桥墩不均匀冲刷对简支桥模态影响的数值模拟[J].岩土工程学报.2013,35（s2）:779-782.

[10]梁发云，王琛.桥墩基础局部冲刷防护技术的对比分析[J].结构工程师,2014,30（5）:130-138. [11]ALI TAFAROJNORUZ,ROBERTOGAUDIO,FRANCESCO CALOMINO.Evaluation of flow-altering countermeasures against bridge pierscour[J].Journal of hydraulic engineering.2012,138（3）:297-305.

[12]LAUCHLAN,CHRISTINE S,MELVILLE,et al.Riprap protection at bridge piers[J].Ournal of hydraulic engineering,2001,127（5）:412-418.

[13]陈艳梅，牟献友，成兰艳，等.环翼式桥墩挡板形状对垂向水力特性的影响[J].水利水运工程学报,2014（1）:33-39.

[14]陈兵，胡涛，苏宗周.圆柱基础扰流环冲刷防护实验研究[J].大连理工大学学报,2014,（1）:71-77.