梯形河道内桥墩布置对近岸流速影响的数值模拟研究.docx

1、广东水利水电GUANGDONGWATERRESOURCESANDHYDROPOWER梯形河道内桥墩布置对近岸流速影响的数值模拟研究徐林春，郑国栋，黄东，林美兰(广东省水利水电科学研究院，广东广州510610)摘要：以概化梯形河道为例，采用数学模型方法，就桥墩布置的不同位置对近岸流速的影响问题进行初步的探讨和研究，进而分析对堤防安全稳定的影响。数值模拟研究结果表明：当桥墩远离坡脚10m以上时，桥墩布置距离堤身断面越远，对近岸流速的影响越小；桥墩距堤身越近，堤身附近流速的增幅影响范围越小。关键词：梯形河道；桥墩布置；近岸流速；影响；数值模拟中图分类号：U442.4文献标识码：B文章编号：1008-

2、0112(2010)02-0005-04引言在河道内兴建桥梁工程，由于桥墩及其承台等下部结构的阻水作用，会改变河道局部河段的水流形态，而桥墩收缩和束窄过流断面，有可能增大近岸流速，进而危及岸坡或堤防的安全稳定。为尽量减小工程建设对堤防稳定的影响，一般要求桥梁边墩需离开堤脚一定距离布置°珠江三角洲河网密布，水系发达，已建、在建和规划建设的桥梁众多，桥梁密度较大。早期建设的部表1分桥梁工程近岸桥墩布置贴近堤脚甚至侵入堤身迎水坡，近期规划建设的桥梁近岸桥墩布置则一般要求远离堤脚。表1统计了珠江三角洲部分已建、在建和规划建设的跨河桥梁工程左、右岸近岸桥墩距堤脚的距离以及近岸流速的变化情况。统

3、计桥梁中，广珠铁路西江特大桥左岸近岸流速增加了0.367m/s,边墩对近岸流速的影响还是较为明显的。但在整个统计时段对应的水情条件下，边墩距坡脚距离与近岸流速增幅之间无明显关系可寻。桥梁名称左岸右岸距坡脚距离/m近岸流速变幅/(rns1)近岸流速变化率/%距坡脚距离近岸流速变幅近岸流速/m/(ins)变化率/%广珠铁路北江特大桥0.00.0052.613.50.10617.9广珠铁路白呢河特大桥20.00.050149.917.00.16841.2广珠铁路虎跳门特大桥57.00.072-25.05.00.08690.7广珠铁路西江特大桥12.70.367104.227.80.15418.4广清

4、高速新街水大桥3.20.23956.01.90.24242.6广清高速大燕河大桥17.20.0464.614.30.0626.4桂丹路金沙大桥2.00.0382.2桥墩与堤防按整体式设计桂丹路沙涪大桥7.00.06810.43.00.()8135.1厦深铁路榕江特大桥6.00.136302.29.50.156102.0贵广铁路北江特大桥19.30.36547.827.30.0315.4贵广铁路佛山水道特大桥1.00.06538.3右岸一侧无桥墩穗莞深铁路东江南特大桥10.30.28137.122.60.18577.7伦桂路安利大桥26.70.30422.145.90.36125.4珠江三角洲部

5、分跨河桥梁工程左、右岸近岸桥墩与堤脚距离和近岸流速变化统计收稿日期：2010-01-18；修回日期：2010-02-01作者简介:徐林春(1979-)，硕士，工程师,从事水力学及河流动力学数值模拟研究。(j=1,2)a%gdz+少+JU;+gdtJdxfJ15g(1)(2)一直以来，针对珠江三角洲地区桥梁边墩布置离开堤脚多远较为合适的相关研究成果较少。为确保堤防的安全稳定，同时也便于河道管理，有必要开展相关研究工作。下面以概化梯形河道为例，采用数学模型方法，就桥墩布置的不同位置对近岸流速的影响问题进行初步的探讨和研究。1数学模型及计算方法本文采用平面二维水流数学模型进行研究。平面二维水流数学模

6、型的基本方程组由沿水深积分平均的水流连续性方程和叭7方向的水流运动方程组成。虬蚂二0dtdXjaui£i2dxj式中/（=z+/0为实际水深;z为水位;/i为相对于基准面的垂线水深;几为糙率系数;g为重力加速度/为Coriolis系数（f=2cusin饥为地球自转速度仲为地球纬度）；灼侦=1,2）分别为x、y方向的垂线平均流速分量;弓分别为、y方向的紊动粘滞系数。参照SIMPLE算法，将水流连续方程和运动方程转化成为标准的带源项二维对流扩散方程,然后采用同位网格下平面二维水流数学模型的有限分析解法（FAM）九点格式进行离散、求解,实现在同位网格下采用有限分析方法求解全部控制方程的同精

7、度算法，避免采用交错网格，可提高计算精度和加快收敛速度。2实例2.1计算河道及桥墩布置模型假定计算河道为100mx500m的梯形长河道，底宽为60m,两岸边坡为1：2,进口断面底高程为0.0m,河道纵坡为2%。（见图1和图2）。出口4324-流向进口aJsOOiti图1计算河道范围及各工况桥墩布置位置示意为便于问题的研究，每组工况仅考虑在河道内布置一个桥墩。概化桥墩采用圆端型矩形墩，桥墩截面尺寸为4.0mxl4.0m,K边平行于河道水流方向布置。本文桥墩布置考虑5组工况，各工况桥墩中心控制点坐标见表2（以图1所示计算河道左下角为（0,0,0）点，采用右手螺旋坐标系）。5组工况再分别与建桥前的。

8、工况相比较，对比建桥前、后的流速变化情况。其中，工况1工况3桥墩位于主河道内，工况4桥墩位于坡脚处，工况5桥墩位于迎水坡坡身上。表2各工况桥墩中心控制点坐标坐标工况1工况2工况3工况4工况5X250250250250250Y5060708090（取样点号与桥墩编号）1*2#3#4#5*图2计算河道A-A剖面示意本文即通过建立桥墩近区局部水域平面二维水流数学模型的方法分析研究桥墩布置的不同位置对近岸流速的影响。2.2边界条件的选定概化河道二维水流数学模型计算出口（图1中左侧）水位为8.0m,进口（图1中右侧）流量为600m3/s,断面平均流速约1.01m/s,糙率按0.015考虑,对桥墩附近进行

9、局部加糙处理。2.3成果分析2.3.1取样点流速影响分析表3列出了表2中5个取样点（对应各工况桥墩中心控制点坐标）在不同工况时的流速及其变化值，各取样点流速极大值发生的工况和流速增幅极大值是同步的,均在同一工况出现。图3、图4给出了各取样点在不同工况时的流速变化情况。各个取样点在不同工况时的流速变化规律均为:各个取样点相应工况时的流速减幅最大（取样点位于桥墩中心，流速降为Om/s）,而后随取样点与桥墩距离的逐渐增大成下凹抛物线分布，流速减小区域基本位于桥墩两侧10m范围内，以外区域受桥墩收束、挤压水流作用，流速均有所增大，其间有一个流速增幅的极大值点，本工程实例中一般位于距离桥墩2（）m处的取

10、样点流速增幅达到极大值，而并不是距离其最近的桥墩引起的流速增幅最大。举例说明：对于位于坡脚的4#取样点，并非与其最近的J或5,桥墩引起的流速增幅最大，而是2#桥墩，甚至远离4#取样点的1'桥墩引起的流速增幅都大于3#桥墩。可见，对于桥址断面而言，桥墩布置并非离坡脚越远，对近岸流速的影响越小，而是有一个合适的距离。当然为避免影响堤防的渗透稳定,桥墩布置亦需离开堤脚一定距离且不宜布置在堤身上,一般要求桥墩承台开挖边线远离堤防迎水坡坡脚10m以上。本工程实例也证明了这个最小距离的确定是有道理的。对于位于堤身的5#取样点，距其20m的3桥墩（距坡脚10m远）引起的流速增幅最大,更远的1#桥墩和

11、2#桥墩引起的流速增幅则相对较小。可见，当桥墩远离坡脚10m以上时,桥墩布置离坡脚越远，对近岸流速的影响越小。表3各取样点在不同工况时的流速及其变化值（单位：m/s）取样点号工况1*2#3#4#5#流速变幅流速变幅流速变幅流速变幅流速变幅工况10.000-1.0531.1030.0621.1510.1431.0890.1321.0240.126工况21.1090.0570.00()-1.0411.0750.0671.1070.1501.0400.142工况31.1900.1381.0930.0520.000-1.0081.0410.0841.0670.169工况41.1620.1091.167

12、0.1261.0460.039().000-0.9581.0040.106工况51.1000.0481.0900.0491.0590.0510.898-0.0600.000-0.898.2.O2.4.6.8O2000.00011T3'取样点不同T.况时流速变化4.取样点不同丁.况时流速变化5,取样点不同工况时流速变化图312#取样点不同工况时流速变化2.3.2近岸流速影响分析为进一步分析桥墩的不同位置对近岸流速的影响,图5给出了位于右岸堤身距坡脚线10m的取样点（取样点均位于经过5"桥墩中心控制点旦平行于河岸的直图4345#取样点不同工况时流速变化线上，见图1中的近岸流速取样

13、线）在不同工况时的流速变化情况。当桥墩布置远离堤防时（工况1）,桥墩对近岸流速的影响区域主要位于桥址下游,工程对桥址上游70m以外的区域流速影响甚小,此种情况下，工程防护措施应适当延长下游区域的近岸防护范围；当桥墩距离堤防较近时（工况3,距坡脚10m远），近岸流速增大的区域基本位于桥址上游20m桥址下游60m范围内,较工况1大幅减少,桥址上、下游远区流速则均有所减小;工况2的近岸流速影响范围介于两者之间；工况4条件下的流速增幅影响区域仅为桥址上、下游各10m范围内;工况5时桥墩位于取样线上，各取样点流速均有所减小。可见，桥墩距堤身越近，堤身附近流速的增幅影响范围越小。图6为与图5相应的流速变幅

14、百分比示意图，变化规律基本同图5。图5近岸流速在不同工况时的变化情况表4统计了图5中近岸流速在不同工况时的增幅最大值，各工况下的近岸流速增幅最大值并非均位于桥址断面。工况1工况3均位于桥址下游3010m范围内，桥墩离堤防越远，所引起的近岸流速增幅最大值出现的位置越靠下游;工况4则位于桥址断面。各工况下，以工况3引起的近岸流速增幅最大，工况2和工况1次之。可见，对于整个研究河段而言，当桥墩位于堤身以外时，距离堤身断面越远，对近岸流速的增幅影响越小，对堤防的抗冲刷稳定越有利。表4近岸流速在不同工况时的增幅最大值统计近岸流速增幅最大值/（ms-i）0.1710.1900.2090.106/增幅百分比

15、/%18.9821.1123.2511.80/出现里程/m220230240250/工况I工况2工况3工况4工况5工况3结语本文以珠江三角洲跨河桥梁工程建设为背景，以概化梯形河道为例，采用平面二维水流数学模型的模拟方法，研究桥墩布置的不同位置对近岸流速的影响。主要结论如下：1）各取样点在不同工况时的流速变化随取样点与桥墩距离的逐渐增大成下凹抛物线分布,其间有一个流图6近岸流速在不同工况时的变化百分比速增幅的极大值，流速增幅极大值并非由距离其最近的桥墩引起的,旦各工况下的近岸流速增幅最大值亦并非均位于桥址断面;桥墩离堤防越远，所引起的近岸流速增幅最大值出现的位置越靠下游。2）当桥墩远离坡脚10m以上时，桥墩布置距离堤身断而越远，对近岸流速的影响越小;桥墩距堤身越近,堤身附近流速的增幅影响范围越小。3）对于整个研究河段而言，当桥墩位于堤身以外时，距离堤可断而越远，对近岸流速的增幅影响越小，对堤防的抗冲刷稳定越有利