桥墩阻水比对弯道河流流速分布的影响

黄靖轩, 陶涛， 孙小双, 路明*, 汪海伦

(1.河北工程大学水利水电学院， 邯郸 056001； 2.海河水利委员会漳河上游管理局， 邯郸 056001； 3.北京国土丹青工程技术有限公司， 北京 100089)

桥梁建成后，桥墩压缩原有河道过水断面，造成有效过流面积减小，导致局部水位壅高。同时，桥墩改变周围流场，产生局部冲刷，影响桥墩安全。许多学者对顺直河道内桥梁铺设进行了深入研究。王开等[1]结合水工模型试验资料，分析了用于桥墩阻水计算的D’Aubuisson公式、Yarnell公式、Henderson公式、无坎宽顶堰公式和修正Yarnell公式的适用条件。严建科等[2]在直线型水槽内研究桥梁轴线与水流流向成不同夹角时的流速分布特性，发现多排桥墩会相互影响，靠近下游桥墩水流结构会受到上游桥墩邻近、剪切和尾流三种机制的影响。何贞俊等[3]对不同墩型引起的墩前水位壅高进行分析，得到桥墩最优侧面曲线特征参数b′/L为 0.071～0.08，并给出不同水流夹角条件下墩型选用原则。孙东坡等[4]通过分析顺直河道上斜交桥附近的水位与流速，改进了计算斜交桥壅水的方法，并给出阻水宽度折算系数。在数值模拟方面，李彬等[5]使用MIKE21软件对斜交桥河道局部流场进行模拟，结果表明斜交桥阻水效果明显，圆柱桥墩应尽量顺水流布置。许栋等[6]通过数值模拟对斜交桥墩壅水特性开展研究，发现最大水位壅高随桥墩斜向角度先增大后减小。王玲玲等[7]利用数值模拟研究平原河道桥墩阻水比与壅水特性关系，发现阻水比7%是平原河道桥前水位壅高特性的重要分界点。

图1 模型试验系统Fig.1 Model test system

在自然界中，弯曲型河流是常见的河流形态，具有极为复杂的三维水流特征。目前有关弯道水流特有的水力特性前人已经进行了广泛的研究，白玉川等[8]研究了常曲率U型弯道典型断面的水流紊动特性，揭示了弯道水流的三维特性和分布规律。曹玉芬等[9-10]研究了连续曲率弯道水槽水流结构变化，发现水面在弯道处发生扭曲，最大横比降位于各弯段弯顶下游。王路等[11]对壅水条件下弯道流速分布规律进行研究，结果表明壅水程度越大，流速分布越均匀。马淼等[12]对7种不同弯曲度的弯道进行数值模拟，研究了弯道弯曲度对水流结构的影响。童思陈等[13]研究了弯道水流纵向流速剖面的变化，给出了流速剖面沿程和横向的变化趋势。凃洋等[14]对180°弯道水槽内的水流表面纵向、横向流速进行测量与分析，研究了两者的分布规律。对于在弯曲河道内布设桥墩的研究成果目前较少。路明等[15]通过模型试验，研究了弯曲河道内桥墩布设对河道冲刷及防洪安全的影响。郭辉等[16]研究了弯道处桥墩水流冲击规律，发现凹岸桥墩所受水流冲击力大于凸岸。实际工程中，弯曲河道内桥墩对流速的影响较大，而此方面的研究还相对较少，因此现设计相关试验，研究桥墩阻水比对弯道河流水力特性的影响，以期为实际工程提供指导。

1 试验设计

1.1 试验系统

模型试验在室内有机玻璃水槽中进行。弯道试验水槽圆心角为45°，内径4 m，外径4.8 m，宽0.8 m，高0.4 m，弯曲段中心线曲率半径为4.4 m。模型循环系统主要由进水槽、引流直线段、弯道试验段、尾水段及控制尾门、蓄水池、供水系统、流量计等部分组成，在直线段内设有两道稳水栅。试验过程中，通过进水管道阀门控制上游来流流量，控制尾门开度来调节水位。流量计量采用电磁流量计，计量精度为0.01 L/s。模型试验系统如图1所示。

1.2 桥墩布置

桥墩阻水比M即桥墩阻水面积与过流面积之比。本文研究中桥梁共分4组，每组桥梁布置5个圆形桥墩，直径分别为1.5、2、2.5、3 cm，相邻桥墩间距为17.5 cm，对应阻水比分别为9.4%、12.5%、15.6%和18.8%。两侧边墩距水槽边壁5 cm。桥梁与水流流向正交布置。

1.3 流速测量

桥墩上下游布设8个测量断面，其中，断面1、断面5、断面8布设9条垂向测线，其他断面各布设5条垂向测线，并在各条垂线上布置6～8个流速测点，测量断面布置如图2所示。水流流速采用挪威Nortek AS公司三维点式超声波流速仪测量，利用Data Conversion命令将测得的流速数据转化成由流速值组成的流速系列，取平均值作为测点流速。

1.4 试验工况

试验采取两种来流流量，由尾门调节水深和流速，试验工况如表1所示。

2 试验结果分析

2.1 主流位置变化规律

以进口水深7.72 cm、弗劳德数Fr=0.50工况为例，无桥墩时弯道水槽内断面1、5、8内流速分布情况如图3所示。

从图3看出，桥墩布设前受弯道环流影响，水槽内水流流速最大值由断面1距凸岸22.5 cm逐渐偏移至断面5距凸岸40 cm，进而发展至断面8距凸岸48.8 cm，表明主流位置在弯道进口处偏向凸岸一侧，随流程增加逐渐向凹岸偏移。

布设桥墩后，河道断面流速分布如图4所示。从图4中可以看出，主流位置发生改变。相对于无桥工况，阻水比为9.4%和12.5%时，流速最大值由断面1距凸岸31.3 cm处偏移至断面8距凸岸 40 cm 处；而阻水比为15.6%和18.8%时，流速最大值则由断面1至断面8一直维持在距凸岸40 cm附近。由于桥墩阻滞作用造成流速减小，且阻水比越大流速越小，水流流经弯道时产生的离心力随之减小，减缓了水流向凹岸偏移的趋势，因此水流主流趋于集中在弯道水槽中间部位，且随桥墩阻水比增大，弯道内主流位置更加趋于集中在中间部位。

图2 桥墩上下游测量断面布置Fig.2 Layout of measuring sections upstream and downstream of piers

表1 试验工况及水力学参数

图3 无桥墩时典型断面内流速分布Fig.3 Velocity distribution in typical section without pier

图4 典型断面内流速分布Fig.4 Velocity distribution in typical section

2.2 纵向流速垂线分布

弯道水流纵向流速垂线分布与顺直河道差别很大，桥墩布设后使得弯道水流纵向流速分布更加复杂。为研究不同阻水比下纵向流速u沿垂线的分布规律，选取墩前断面3与墩后断面4为典型断面，分别选择靠近凸岸、中心线和凹岸三条测线作为研究对象，绘制不同工况的断面纵向流速垂线分布图。

2.2.1 墩前断面

墩前断面3纵向流速垂线分布如图5所示。从图5可以看出，两组工况下，无桥墩时断面纵向流速沿垂线分布没有呈现出顺直型河道中对数或指数流速分布形式，且在凸岸区、中心区和凹岸区呈现出不同程度的波动；布设桥墩后，随着桥墩阻水比增加，墩前断面内纵向流速沿垂线分布更加均匀。

为进一步比较各工况阻水比对纵向流速沿垂线分布的影响，进行试验结果方差分析。计算结果如表2所示。

(1)

表2两组工况下，墩前断面3纵向流速方差在凸岸区、中心区和凹岸区均呈现出随阻水比增大而减小的趋势，表明墩前纵向流速沿垂线分布的波动情况与阻水比呈负相关，阻水比越大，纵向流速波动越小，沿垂线分布越均匀。原因在于阻水比增加，桥墩对水流的阻滞作用增强，使得墩前水位壅高增大，如图6所示。

图5 墩前断面3纵向流速沿垂线分布Fig.5 Distribution of longitudinal velocity along vertical line of section 3 in front of piers

表2 墩前断面3纵向流速方差比较

为探究弗劳德数与阻水比对墩前纵向流速分布影响的关系，分别计算两组工况的墩前断面3纵向流速方差变化率，如表3所示。由表3可得，Fr=0.28和Fr=0.21两组工况下其减小范围分别在39%～94%和44%～97%，且Fr=0.28工况下其减小程度小于Fr=0.21工况，表明相同阻水比工况弗劳德数越大，阻水比对墩前流速分布的影响程度越小。

2.2.2 墩后断面

桥墩附近水流结构十分复杂，桥墩迎水面和两侧绕流在床面附近形成马蹄涡对墩后纵向流速沿垂线分布形式产生影响。各工况墩后纵向流速沿垂线分布如图7所示。

图6 墩前断面3水位壅高Fig.6 Backwater level of section 3 in front of piers

图7 墩后断面4纵向流速沿垂线分布Fig.7 Distribution of longitudinal velocity along vertical line of section 4 behind piers

由图7可以看出，布设桥墩后，墩后纵向流速沿垂线分布明显发生变化。由于水流流经桥墩时过水断面压缩，且阻水比越大，压缩作用越强，墩后纵向流速分布形式愈发紊乱。表4中墩后纵向流速方差在研究区域均呈现出与墩前断面相反的趋势，墩后纵向流速沿垂线分布的波动情况随阻水比增大而增大。

表3 墩前断面3纵向流速方差变化率

表5中，Fr=0.28和Fr=0.21两组工况下墩后断面4纵向流速方差变化率的增大范围分别在20%～456%和55%～1 061%，Fr=0.28工况下其增大程度也总是小于Fr=0.21工况，该趋势与墩前断面相同，阻水比对墩后纵向流速的影响随弗劳德数增大而减小。

2.3 横向流速垂线分布

横向流速v是弯道水流的另一个重要特征。本文将同一来流条件下不同阻水比墩前断面和墩后断面的横向流速沿垂线分布进行对比，分析阻水比对横向流速的影响。

2.3.1 墩前断面

墩前断面3横向流速垂线分布如图8所示。由图8可以看出，无桥墩时受弯道离心力的影响，两组工况下断面3横向流速v的分布均为上部流向凹岸，近底处流向凸岸，形成环流。布设桥墩后，墩前横向流速沿垂线分布随阻水比增大愈发不均匀。

表4 墩后断面4纵向流速方差比较

表5 墩后断面4纵向流速方差变化率

表6中，墩后横向流速方差在研究区域内均随阻水比的增大而增大，表明墩前横向流速沿垂线分布与阻水比呈正相关。原因在于在压缩水流作用下桥墩两侧形成左右交替分布的大流速水团，影响了墩前横向流速的垂线分布形式，阻水比越大，其影响程度越大，流速分布越紊乱。

由表7可得，Fr=0.28和Fr=0.21两组工况下墩前断面3横向流速方差变化率的增大范围分别在7%～106%和28%～623%，Fr=0.28工况下其增大程度均小于Fr=0.21工况，表明弗劳德数越大，阻水比对墩前横向流速的影响越小。

2.3.2 墩后断面

墩后断面4横向流速垂线分布如图9所示。由图9可以看出，布设桥墩后，墩后横向流速沿垂线分布与阻水比呈正相关，墩后横向流速方差与阻水比的关系同墩前一致(表8)。由于墩侧边界层的分离在墩后产生尾流漩涡，影响了墩后横向流速的垂线分布形式，且阻水比越大，影响越深，因而其分布形式越紊乱。而弗劳德数与阻水比对墩后横向流速影响的关系同墩前也一致(表9)。

由图9可以看出，布设桥墩后，墩后横向流速沿垂线分布与阻水比呈正相关，墩后横向流速方差与阻水比的关系同墩前一致(表8)。由于墩侧边界层的分离在墩后产生尾流漩涡，影响了墩后横向流速的垂线分布形式，且阻水比越大，影响越深，因而其分布形式越紊乱。而弗劳德数与阻水比对墩后横向流速影响的关系同墩前也一致(表9)。

图8 墩前断面3横向流速沿垂线分布Fig.8 Distribution of transverse velocity along vertical line of section 3 in front of piers

表6 墩前断面3横向流速方差比较

表7 墩前断面3横向流速方差变化率

3 结论

通过对不同桥墩阻水比下弯道流速分布规律进行研究，得出以下主要结论。

(1)布设桥墩后，弯道水槽试验段内主流位置整体向中间偏移，随阻水比的增大，主流位置更加趋于集中在河道中间部位。

(2)不同弗劳德数工况下，随阻水比的增大，墩前水位壅高逐渐增大，墩前纵向流速方差均减小，垂线流速分布更加均匀；墩后纵向流速方差均增大，沿垂线分布更加紊乱。横向流速方差在墩前和墩后断面均增大，其在墩前与墩后沿垂线分布均更加紊乱。

(3)不同弗劳德数工况下，受大弗劳德数工况更不稳定的水流结构影响，无论在墩前与墩后断面，桥墩阻水比对纵向流速和横向流速分布的影响均随Fr增大而减小。

图9 墩后断面4横向流速沿垂线分布Fig.9 Distribution of transverse velocity along vertical line of section 4 behind piers

表8 墩后断面4横向流速方差比较

表9 墩后断面4横向流速方差变化率