（水力学及河流动力学专业论文）异型孔桥墩水力特性研究.pdf

摘要 摘要 桥墩是桥梁的支撑结构，它不仅承受着桥面的所有荷载，也是桥梁稳定的基 础，并且将桥梁的作用力传到地基，桥墩承载力的大小决定着桥梁承载能力。随 着人们对城市水利建设上的生态环境和景观和谐要求的提高，传统桥墩在其形状 和外观上已无法满足景观水利学的要求。因此，研究出与生态、环境、景观相互 和谐，既满足安全稳定性要求又适应现代城市需要的新型桥墩就十分必要。 在对近年来国内外有关桥墩水力特性研究文献的了解分析的基础上，本文通 过物理模型试验、数值模拟计算等研究手段对异型孔桥墩的水力特性进行了研 究。 通过物理模型试验研究了河道建异型孔桥墩后墩前壅水作用；建桥前后，桥 址断面附近河道的断面平均流速场分布规律；建桥后桥墩绕流影响范围和墩后低 流速区的影响范围等水力特性因素。 通过数值模拟计算，分析研究了河道无桥墩、建异型孔桥墩和传统圆柱桥墩 三种情况的平面流速场、立面流速场、平面涡量场和近底切应力场。并采用对比 分析的方法得出了异型孔桥墩在上述各水力特性因素上与传统圆柱桥墩的不同 点。 物理模型试验和数值模拟计算结果表明：河道建异型孔桥墩后墩前会形成壅 水区，但是壅水高度较小，最大壅高只是其水深的0 0 3 ；相同垂向位置处平面 最大流速随上游来流弗洛德数的增加而增加；在同一上流来流弗洛德数下，不同 垂向位置平面最大流速随水位的增加而减小；虽然异型孔桥墩中间可以过流，但 是其墩前后依然存在低流速区，而且低流速区的沿程影响范围和墩后低流速区沿 程影响范围都随上游来流f r 的增加而增加；河道建桥墩后垂向位置相同时，平 面最大涡量随f r 的增大而增大；随着上游来流弗洛德数的增加建桥后近底最大 切应力也增加。 关键词：异型孔、桥墩、壅水、速度场、涡量场、近底切应力场 a b s t r a c t a b s t r a c t t h e 嘶d g ep i e r si st h es u p p o n j n gs t m c t u r eo f b r i d g e ，i ti sn o to n l yb e 撕n ga 1 1 t h el o a d ，b u ta l s oi s t h ef o u n d a t i o no f p i e r ss t a b i l i 够t h ef o r c eo nt h eb r i d g ew 1 lb ec o n v e y e dt of o u n d a t i o no f t h e b r i d g e t h eb e a r i n gc a p a c 时o f t h eb r i d g ei sd e t e 册i n e db yp i e r s a st h ei n c r e a s eo fr e q u i r e m e n ti n l a n d s c a p i n gt h ee c o l o 百c a le n v i r o n m e n to nc i t y sw a t e rc o n s e r v a n c yc o n s t m c t i o n ，t r a d i t i o n a lp e r h a v en o ts a t i s f i e dt h er e q u i r e m e n t t h e r e f o r e ，i ti sv e 叫n e c e s s a 巧t 0d e v e l o pt h en e wt y p ep i e r b a s e do nt h e 卸a l y s i so ft h el i t e 嘲r eo nt h eh y d r a u l i cc h a r a c t e r is t i c so ft h ep i e ri nr e c e n t y e a r s ，t h i sp 印e ra d o p t st h em e t h o d so fp h y s i c a lm o d e l t e s ta n dn u m e r i c a is i m u l a t i o nt or e s e a r c h t h eh y d r a u l i cc h a r a c t e r i s t i c s0 ft h ep r o f i l e do r i f i c ep i e r t h r o u g hp h y s i c a lm o d e le x p e r i m e n t a t i o n ，t h ea u t h o rr e s e a r c h e st h es w e i le 任e c ti nf 两n to ft h e p i e ra f k rb u i l d i n gt h ep r o f i l e do r i f j c ep i e ri nt h er i v e r ，t h ed i s t r i b u t i n gc h a r a c t e ro ft h es e c t i o n a v e r a g ev e l o c 时n e a rt h e 嘶d g es i t e ，t h ee 仃e c ts c o p eo fc i r c l i n gn o wa r o u n dt h ep i e ra n dt h e l o w v e l o c i t ya r e ab e h i n dt h ep i e r a c c o r d i n gt 0t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，t h ec o n c l u s i o 舾h a v eb e e nd m v nt h a tt h ep l a n e v e l o c i t yf i e l d ，v e r t i c a lv e l o c i t y6 e l d ，p l a n ev o n i c i t yf i e l da n ds h e a rs t r e s sb o t t o mo ft h er i v e r b e d o nc o n n 。a s tt h en op i e r ，b u 订d i n gt h et r a d i t i o n a lp i e ra n dt h ep r o n l e do r i f i c ep i e r ，a n dr e s e i r c ht h e d i 毹r e n c eo ft h et m d i t i o n a lp i e ra n dt h ep r o f i l e do r i f i c ep i e ri nt h eh y d r a u l i cc h a r a c t e r i s t i c s t h er e s u l to ft h ep h y s i c a lm o d e le x p e r i m e n t a t i o na n dt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o ni n d i c a t e ：i t w i l lb ea p p e a rt h es w e l la r e ai nf r o n to ft h ep i e ra r e rb u i l d i n gt h ep r o f i l e do r i f i c ep i e ri nt h er i v e r b u tt h em o s th e i g h to fs w e l li s0 0 3 o ft h ew a t e rd e p t h a st h ei n c 陀黔eo ff r ，t h em o s tp l a n e v e l o c i t yo ft h es a m ev e n i c a lc o o r d i n a t ei si n c r e s c e n t a st h eu n i f o r mf r ，t h em o s tp l a n ev e l o c i t yo f t h ed i n e r e n tv e r t i c a lc o o r d i n a t ei sd e c r e a l s i n g ，w h e nt h ev e n c a lc o o r d i n a t ei si n c r e a s e d a l t h o u g h t h ef l o wc a nt h r o u g ht h ep i e rb yt h ep r o f i l e do r i 6 c e ，t h ei o w v e i o c i t y 砌e ab e h i n dt h ep i e ri s e x i s t e n ta nt h et i m ea n dt h ei n c i d e n c eo ft h el o w v e l o c i t ya r e aa l o n gt h ed i r e c t i o n0 ff 1 0 wi s i n c r e a s e da st h ei n c r e a s eo f fr a r e rb u i l d i n gt h ep r o f i l e do r i 6 c ep i e ri nt h er i v e r ，t h em o s tp l a n e v o r t i c i t yi n t h es a m ev e n i c a lc o o r d i n a t ei si n c r e a s e da st h ei n c r e 弱eo ff r a c c o r d i n gt ot h e i n c r e a s eo ff r t h es h e a rs t r e s sb o t t o mo f t h er i v e r b e di si n c r e a s e d k e yw o r d ：t h ep r o n l e do r i f i c e ，p i e r s w e l l ，v e l o c i t y6 e l d ，p i a n ev 0 n i c i t yf i e l d ，s h e a rs t r e s sb o t t o m o ft h er i v e r b e d l i 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工 作的同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ：2 0 0 8 年月，弓日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术 期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或 电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子 文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外， 允许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权 河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ：2 0 0 8 年衫月，弓日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 问题的提出 1 1 1 桥梁建设的现状及存在的问题 桥梁是供车辆和行人等跨越障碍的工程建筑物。简而言之就是跨越障碍的通 道。从线路上讲桥梁是线路在跨越上述障碍时的延伸部分或连接部分【卜3 1 。随着 社会生产力的发展、工业水平的提高、施工技术的进步、数学和力学理论的进展、 计算技术的改革、桥梁建筑技术不断更新进步，桥梁数量也迅速增加，类型多样， 外观更是千姿百态。刚架桥、拱桥、系杆拱桥、简支梁桥、连续梁桥、t 构桥、 斜拉桥、悬索桥等各种不同形态的桥不仅连接了交通，更成为地区景观的重要组 成部分。尤其是在材料科学发展迅猛的形势下，随着高强度钢、玻璃钢、铝合金、 碳纤维等太空轻质材料的大量启用，桥梁建筑的主要材料将不断更新，桥梁结构 的形式将呈现出多样化发展格局【m 1 。我国自改革开放以来，桥梁建设以令世人 惊叹的规模和速度迅猛发展，取得了巨大的成就。如今，在祖国的江河湖海和高 速公路上，不同类型、不同跨度的桥梁异彩纷呈，展示着我国交通特别是公路桥 梁建设的辉煌。” 据不完全统计我国现有主跨在2 0 0 m 以上的桥梁近1 1 0 座，就跨径而言，我国 已建成的悬索桥、斜拉桥、拱桥、梁桥有1 6 座分别跻身于世界同类型桥梁排行榜 前l o 名【1 - 5 1 。 我国的桥梁建设实现了跨径大超越，桥型结构和技术的创新，深水大跨径桥 梁建造术也r 益成熟，但是这些进步并不能让我们忽视我国桥梁建设中存在的问 题。 首先，虽然我幽桥梁建设同新月异，设计、施工、科研单位的实力有所增强， 水平普遍有所提高，但是地区单位之间并不平衡。我凼桥梁技术的总体水平同世 界领先水平相比仍存在一定差距，主要表现在理念设计、材料、工艺和技术创新 上。“用科学发展观和可持续发展的观点审视桥梁的安全耐久性问题；实施桥梁 结构的全寿命设计；加强健康监测；适时养护维修以桥梁全寿命期内的综合费用 评价桥梁的经济性和社会效益”这一新的理念在我国现在桥梁的设计中并未得到 充分体现【4 8 1 。 河海人学硕1 ：学位论文 其次，一些桥梁所暴露出的质量缺陷，不同程度地反映出在设计、施工、材 料、养护维修、运营管理等方面存在的缺憾和不足。预应力混凝土的裂缝问题， 斜拉桥拉索更换问题，钢桥的桥面铺装和钢结构的防腐问题等并未得到很好的解 决，桥梁的安全耐久性成为桥梁界关注的突出问题1 8 j 。 第三，桥梁在设计、施： 阶段对城市景观和桥梁美学方面并未得到足够的重 视，未能从可持续发展的角度将美学构思，包括色彩、照明等融入到桥型、桥孔 布置、结构造型的设计中，桥型结构缺乏创意、布局杂乱松散、线条呆板僵化， 影响了生态平衡和环境美化1 8 剐。 桥梁建设的成就和技术的创新成熟，是广大桥梁工作者才华、智慧和汗水的 结晶，充分体现了我国综合国力的增强和改革开放的成果，标志着我国桥梁建设 技术总体上进入国际领先水平，但是我们还是要清醒的认识到在桥梁建筑设计施 工，技术创新和美学构思方面的不足，丌拓创新和走持续发展的道路，总结经验， 努力解决我们在桥梁建设方面的问题。 从景观学角度讲，在科学发展观不断深入人心，和谐社会逐渐成为人们生活 目标时，环境问题却日益严峻【9 】。因此全世界都在提倡人们保护环境，美化环境。 在这样的大形势下，桥梁的设计建设者们也在不断的寻求桥梁安全性和景观作用 的平衡化，在桥梁设计施工中不仅考虑到桥梁的结构稳定，安全运行，同时也考 虑到桥梁在城市景观中的巨大作用。因此，在现今建造的城市桥梁中出现了许多 令人耳目一新的“景观结构”。异型孑l 桥墩就是这样的景观结构之一【l o 】。 1 1 2 桥墩水力特性研究的重要性和必要性 在江河上建桥会对桥区河流的流态产生影响。但是一般认为这种影响主要集 中在桥墩，即流速，流念的明显变化仅出现在桥墩周围局部。桥梁建成以后，因 为桥墩客观上缩短了河面宽度，使桥墩附近的流速增大。当流速增大到床沙的起 动流速时河床冲刷开始。再加上桥墩的阻水作用使其周围产生大量的旋涡，使冲 刷更加严重，从而影响桥梁稳定，造成工程事故，影响国家财产和个人生命安全。 桥墩足桥梁的支撑结构，它不仅承受着桥面的所有荷载，也是桥梁稳定的基 础，桥墩承载力的大小决定着桥梁承载能力【l o 】。桥墩在水流、床沙等因素作用下 很容易被破坏，而桥墩局部冲刷是其主要的破坏形式。一旦因为局部冲刷造成桥 墩的超设计位移，那么桥梁就有随时倒塌的危险。桥墩局部冲刷坑的扩大如果超 2 第一章绪论 过预计的范围就会造成墩台倾覆、沉降进而引起严重的桥梁事故，危害大众和国 家财产的安全。 迄今为止，已经发生的因为桥墩局部冲刷破坏引起的事故数以千计。触目惊 心的事故场面让我们为罹难者感到悲痛惋惜的同时也清晰的意识到桥墩冲刷是 桥梁安全稳定的重要因素，明确桥墩附近的水流特性对于分析计算桥墩附近局部 冲刷有着至关重要的作用。掌握桥墩附近的水流特性，有助于了解水流对桥墩附 近冲刷的位置和强度，对于桥墩局部冲刷影响范围，最大冲刷坑的位置等都有预 测作用，也便于事先对河床和岸坡进行防护【4 棚。 1 1 3 传统桥墩的特点及其与城市景观水利之间的矛盾 桥墩、桥台以及墩台的基础等是桥梁的下部结构，它们是支撑上部结构，向 下传递荷载的建筑物。桥梁墩台的布置是与桥跨结构相应的。桥台设在桥跨结构 的两端，桥墩则分设在两桥台之间。桥台除起到支撑和传力的作用外，还起到与 岸堤衔接，防止岸堤滑塌的作用。墩台基础是承受由上至下的全部荷载并将其传 递给地基的结构。 传统桥墩大多是普通的圆柱型或是两头半圆柱中间长方体的组合型，这种桥 墩的优点在于结构简单，施工便利，承受荷载性能好，圆柱更能符合水体流动特 性，在同等来流条件下，其周围水流紊动相对较小，流态较好。但是传统桥墩在 桥梁美学上有无法回避的缺陷，其线条呆板、僵化，体积庞大、缺乏美感和与周 围环境协调统一。现代城市水利建设要求水工建筑物要能与水质净化相结合，要 能考虑到与河流景观、生态及周边环境相协调【m 13 1 。随着人们对城市水利建设上 的生态环境和景观和谐要求的提高，传统桥墩在其形状和外观上已无法满足景观 水利学的要求。这就要求建筑设计行业尽快改变观念，在桥梁的规划、设计、施 工的理论和技术方面进行调整和完善，不再拘泥与传统的方法和理论。传统的水 利、桥梁建设理论更偏重于水工建筑物的安全稳定运行和对水资源功能的开发， 而现代水利、桥梁建设除去满足上述要求外还要同时注重对水的资源功能、环境 功能、生态功能的持续丌发和协调保护。因此，研究出与生态、环境、景观相互 和谐，既满足安全稳定性要求又适应现代城市需要的新型桥墩就十分必要【1 4 。7 1 。 1 1 4 异型孔桥墩的特点及研究必要性 异型孔桥墩是一种新型的桥墩，是指在不影响桥墩承载能力的情况下，对桥 3 河海人学硕士学位论文 墩的外观进行改善，在墩身上设异型孔，以满足景观水利学的要求，使桥墩除去 承载桥梁的作用外成为城市的一道风景线。本论文所涉及到的工程背景一广西桂 林南洲大桥的桥墩就是典型的异型孔桥墩。该桥墩中间丌有异型孑l ，倒映水中与 桂林美丽的漓江相应成趣，仿佛一幅美妙的写意画。异型孔桥墩从景观水利学角 度讲有美化大桥附近环境的作用；从水力学的角度讲，桥墩中间过水能有效的减 小墩后水流的紊动，改善桥墩墩后水流状况【1 6 - 17 1 。 但是，该类型的桥墩也有其不足之处。首先，从水流角度讲，异型孔桥墩墩 前并未做成圆弧状、流线型，而是直立面。这样的结构并不符合水流和边擘的最 佳切合，容易在大流量情况下使河水流过桥墩时出现水体与边壁分离的现象，加 剧墩前和墩身两侧的旋涡以及侵蚀，对桥墩安全运行产生不良影响。其次，从结 构角度讲，异型孔桥墩中间丌孔，削弱了桥墩的承载能力，增加了桥墩剩余部分 的应力，为满足承载能力要求，必然要对桥墩材料和造价提出更高的要求【1 8 之2 1 。 异型孔桥墩周围的水流状况十分复杂，如果处理不当，将影响到河道防护管 理，影响到桥梁的安全运行。作为适应景观要求的新型桥墩，目前国内外对其水 力特性的研究还不多。异型孔桥墩附近的流场，桥墩对河道水流的影响范罔，墩 前壅水的高度、范围，墩身附近的卡门旋涡，以及尾部绕流的影响范围都是有待 于系统研究解决的问题1 2 引。 1 2 桥墩水力特性研究现状 为能更全面、清楚的了解桥墩的水力特性，许多科研工作者进行了长期的、 坚持不懈的研究和探索，得到了很多非常有价值的理论和方法，值得我们去学习 和借鉴。 1 2 1 桥墩绕流的机理分析认识 桥墩周围的水流结构主要包括墩前向下水流、墩前冲击波和桥墩周围的旋 涡、墩后尾流体系等。由于建桥后，桥墩的阻水作用在桥墩上游水面壅高，至墩 前达到最高，两侧水流收缩集中，动能增加，水面逐渐降低，在墩后很大范围内 水面都很不稳定。当桥墩附近的水流碰到桥墩发生偏转，近底水流流速因受河床 摩阻作用而使纵向流速沿垂线存在流速梯度，使得桥墩沿水深上下两个单位面积 所受水流冲击压力也不相同，存在压差，导致水流山高压区向低压区流动。表层 水流会形成强烈漩涡，以及桥墩之间水流的横向流速作用会使桥墩两侧形成向下 4 第一章绪论 游的马蹄形旋涡。因为这种旋涡的形成使向下最大流速更接近桥墩两侧。由于最 大流速沿两侧的流速梯度增大，导致水体和桥墩边壁的边界分离，形成了立轴旋 涡。立轴旋涡如同龙卷风一样将桥墩周围的床沙卷起，马蹄形旋涡的向下推进将 立轴旋涡卷起的床沙带向下游【2 3 诩】。另外在两种旋涡的作用下，桥墩之间的水体 横向，竖向，前后摆动，剧烈淘刷桥墩迎水端和周围的泥沙。在上述多个作用的 共同影响下，桥墩周围发生局部冲刷并不断发展，最终影响到桥墩的稳定性，危 及桥墩的安全【2 5 之7 l 。 1 2 2 桥墩壅水特性的研究现状 因为桥墩的阻水作用，水流流过桥墩时墩前水位会有一定壅高。如图1 1 所 示， l 口 弘z 口 2 - v l ，h l* v 图1 1 桥墩壅水计算示意图 ，h 2 对墩柱前后断面1 1 和2 2 之间水体，沿水流方向由动量方程得： 等( 屐堋) = 扣骂专绣芝一7 1 ( 1 1 ) 式中q 一流量 r 一水的容重 v l 、v 2 一分别表示墩柱前后断面处的平均流速； p 卜p 2 一分别为墩柱前后断面处的水流动量修正系数； h 卜b l 一分别为墩柱前的断面平均水深及河宽； h 2 、b 2 一分别为墩柱后的断面平均水深及河宽； t 一绕流物体对水流的总阻力。 上式中的水流总阻力丁：巳以嬖其中c 。为绕流阻力系数，a d 为与流速 河海人学硕 ：学位论文 方向垂直的迎流投影面积。 对于单墩柱的水流阻力系数c d 与墩柱的形状、淹没程度、相对水深等因素 有关；对于墩柱群，则还需考虑墩柱横向影响、遮流的影响及斜向水流作用的 影响【3 0 。5 1 。 ( 1 ) 墩柱形状对桥墩水流阻力的影响： 对于矩形墩柱，当纵横向尺度比值分别为1 0 、2 o 及大于等于3 o 时，相应 的水流阻力系数为1 5 0 、1 3 0 及1 1 0 ；对于圆形墩柱，当水流雷诺数大于等于2 1 0 5 时，相应的水流阻力系数为o 7 3 ；对于圆端形墩柱，水流阻力系数为o 5 2 。 ( 2 ) 淹没深度对桥墩水流阻力的影响： 该影响系数随相对淹没度变化而改变。相对淹没度定义为淹没深度与水深的 比值，淹没深度定义为从水面起算至墩高的l 2 处。当相对淹没度介于0 5 2 2 5 时，相应的淹没深度影响系数介于0 7 1 0 ；当相对淹没度介于2 5 6 时，相应的 淹没深度影响系数介于o 9 9 0 8 4 。显然，对于露出水面的墩柱，此系数可取为l 。 ( 3 ) 相对水深对桥墩水流阻力的影响 该影u 向系数随水深与墩柱迎水面宽度比值变化而改变，当此比值介于l 1 4 时，相应的相对水深影响系数介于0 7 “1 0 0 。 ( 4 ) 水流横向作用对桥墩水流阻力的影响 对于圆端墩，当墩间距与墩柱迎水面宽度的比值介于3 1 5 时，相应的水流 横向影响系数介于1 8 3 1 o o ：对于方形墩，当墩间距与墩柱迎水面宽度的比值 介于4 2 6 时，相应的水流横向影响系数介于1 2 5 1 0 0 。 ( 5 ) 水流遮流对桥墩水流阻力的影响 该影响系数随前后墩距离与墩柱迎水面宽度的比值变化而改变，当此比值介 于l 2 0 时，相应的后墩遮流影响系数介于o 3 8 1 o o 。 ( 6 ) 斜向水流对桥墩水流阻力的影响 该影响系数随水流入射角变化而改变。对于圆端墩，当水流入射角介于0 。 1 5 。时，相应的墩柱受斜向水流作用影响系数介于1 1 3 7 ；对于方形墩，当水 流入射角介于0 。1 5 。时，相应的墩柱受斜向水流作用影响系数介于1 0 0 7 5 。 综合考虑上述各种影响因素，可得到墩柱阻水壅高为： z = 1 3 7 碍”：朋。小：鸭以 巳+ ( 怫一1 ) 聊： 篆 ( 1 2 ) 6 第一章绪论 对于单列桥墩，其墩前绕流计算可借鉴水力学局部水头损失公式f 3 6 3 9 1 ： 矿2 z = f 二l 72 9 ( 1 3 ) f = s i n 秒( 昙) 了 c 4 ， 式中：芎一桥墩阻水引起的水头损失系数； t 一墩柱迎水面宽度； b 一墩柱横向间距； 讹一墩柱压缩率； o 一墩柱倾角； p 一墩柱的断面形状系数，相应于矩形、圆形及圆端形墩柱，其值分 别为2 3 4 、1 7 3 、1 6 0 。 为简单起见，对式( 1 2 ) 和( 1 3 ) 进行对比，可以发现：两者的结构形式 基本相同，差别仅在于流速水头前面的系数略有不同。为便于比较，将此系数统 称为局部水头损失系数。现就矩形、圆形及圆端形三种典型形状的单列墩柱运用 不同公式进行比较，运用式( 1 2 ) 进行计算得到壅水高度z l 的表达式，计算 过程中代入断面形状系数等参数、略去横向力、遮流、淹没深度、相对水深、斜 向水流作用等影响系数，取1 1 c = 1 ；运用式( 1 3 ) 进行计算，代入断面形状系数 等参数得到壅水高度z 2 的表达式，同时还可得到相应的局部水头损失系数表达 式。 矩形墩柱： 嵋乩5 - 吉善z ：= 2 埘( 吾) 了丢 5 ， 相应的水头损失系数为：点= 1 5 1 舌 色= 2 3 4 ( 吾) j ( 1 6 ) c 2 ，圆形墩柱： 必乩。甚必乩7 3 ( 吉) 了丢7 ， 相应的水头损失系数为：卣= 1 o - d纠m ( 钌 8 ， 河海人学硕 ：学位论文 ( 3 )圆端形墩柱： 嵋= 们詈丢必乩6 。( 丢) j 丢 9 ， 相应的水头损失系数为：舌= o 7 l d纠加j 经分析可知，对于同一种类型的桥墩，水头损失的两种计算公式差别都不大， 公式( 1 2 ) 考虑因素更为全面，适用性更广，但是相对而言计算较为复杂；公 式( 1 3 ) 形式简单，便于计算使用。由公式可以看出，墩前壅水高度随佛汝德 数及墩柱阻力增大而增大f 2 8 乏9 1 。 1 2 3 桥墩紊流宽度范围的研究 桥墩紊流区包括桥墩墩周的近壁流层、近壁流层以外的过渡层以及过渡层以 外的紊流核心区。桥墩紊流宽度是指桥墩墩尾两侧紊流宽度之和。试验表明，桥 墩紊流宽度受墩前行近流速、行近水深、来流角度、桥墩尺寸、桥墩墩型和桥墩 冲刷的影响。桥墩紊流宽度随墩6 订行近流速、行近水深、来流角度、桥墩尺寸的 增加而增加；桥墩墩型曲线越圆滑，其阻水作用越弱，桥墩紊流宽度越小；反之亦 然。各种墩型中，方头墩阻水作用最强，桥墩紊流宽度最大；圆柱墩阻水作用最 弱，桥墩紊流宽度最小，可通过引入墩型系数来考虑桥墩墩型对桥墩紊流宽度 的影响【4 0 4 列。在桥梁施工初期阶段，桥墩周围冲刷坑已经基本形成，因此，桥墩 冲刷对紊流宽度影响很小，可忽略。 ( 1 ) 武汉理工大学试验成果 试验根据桥墩紊流宽度的影响冈素，在保持其余因素不变的情况下，分别研 究了各个影响囚素变化时紊流宽度的变化情况，依试验数据建立函数关系表达式 并确定了各个影响系数的取值： 函数关系表达式为：e = k k ，厂( v ，6 ，办) ，式中：e 为桥墩紊流总宽度，单位 是m ：k 为计算系数；k 。为墩形系数；v 为墩前水流流速，单位i i l s ；b 为墩形 计算宽度，单位m ；h 为桥墩附近水深，单位m 。 通过引入佛汝德数e = - 7 每将上述函数关系式表示为e = k k ，。6 ，五2 ，利用 qg h 量纲分析法整理分析实测资料后得到：k c = o 8 8 ；x = 0 7 5 ；y = 0 5 6 ；z = 0 4 4 ，则有 函数关系式： 第一章绪论 e = o 8 8 k ，o7 5 6 0 5 6 矿4 4( 1 1 1 ) 对于圆柱墩和片状墩：k s = 1 0 ，b = 桥墩宽度；对于圆头墩：k s = o 8 ，b = ( 墩 长一墩宽) s i n 口+ 墩宽，0 【为桥墩轴线与水流央焦；对于尖头墩：k s = 0 6 6 ， b = ( 墩长一墩宽) s i n 口+ 墩宽；对于方头墩：k s = 1 2 ，b = ( 墩长s i n 口+ 墩宽 c o s 口) 【4 1 - 4 列。 ( 2 ) 长沙理工大学试验成果 模型实验安排在宽0 4m 、长1 0m 的有机玻璃直槽和宽o 4m 、弯曲半径 4m 、转角9 0 。的有机玻璃弯道槽中进行。选定模型圆形墩的直径为lc m 和2c m 在进行单墩试验时，桥墩位于断面中间位置。在进行双墩试验时，两墩问距分别 取1 0 、1 5 、2 0 和2 5c m 四种，弯道中布置了3 个测量断面，分别位于5 。、 3 6 。和6 0 。处，试验水深统一采用1 6c m 。直道试验流速为1 7 5 4 7 7c m s ， 弯道试验流速以近口直线段流速为准，流速范围为1 6 2 3 9 1c 州s 。 直槽单墩试验 试验表明，外区与涡漩区表面流速存在明显的梯度。在墩柱i j i 部、墩柱两侧 和墩后回流产生的漩涡对墩周围的上层水体产生了较大的吸附作用。墩柱轴线位 置左右两侧的涡漩区宽度基本相同，当流速较小( v = 1 7 5 2 1 7c n l s ) 时，左 右两侧从墩柱边壁起算的涡漩区宽度各约为0 5 d l d 。随着流速的增加，墩柱 左右两侧的紊动宽度也增大，总紊动宽度b 也相应增大。 定义相对总涡漩区宽度为b d ，由试验可知b d 随弗汝德数的增加而增 加，f r 增大到一定范围后，b d 增率减小。b d 与弗汝德数f r 的函数关系为： 旦：一7 2 3 7 7 f + 11 3 2 8 f o 8 7 2 8 ( 1 1 2 ) d 弯道槽单墩试验 试验表明，当流速小( v = 1 0 3 1 2 9 c m s ) 时，弯道环流较弱，紊流宽度 在弯道不同断面，墩柱靠弯道凸岸一侧的紊流区宽度与靠凹岸一侧的紊流区宽度 大致相同，相对总紊流区宽度b d 约为1 3 2 1 9 0 。当流速较大( v = 1 7 6 2 2 5 c m s ) 时，弯道环流的作用显著增强，墩柱靠弯道凸岸一侧的紊流区宽度b z 大约 在( 1 1 5 1 4 5 ) d 范围，而桥墩靠弯道凹岸一侧的紊流区宽度b y 大约为( 1 8 5 2 4 3 ) d 范围。凹岸一侧的紊流区宽度比凸岸大了大约1 d ，这是受弯道环流的影响 9 河海人学硕上学位论文 所致。桥墩总紊流区宽度与墩径的比值在3 o o 3 8 8 之间。 直槽双墩试验 试验结果表明，当两墩f h j 距较小( j d = 5 ) 时，墩问相对紊流区宽度b s d 随流速 的增大而增大，从v = 1 7 5 c m s 时的0 5 2 增加到v = 4 7 7 c m s 时的3 4 2 。此时，紊流 区宽度已接近两墩间距。当两墩间距较大( j d = 1 0 ) 时，墩间相对紊流区宽度b s d 随流速的增大而增大，从v = 1 7 5 c m s 时的1 0 4 增加到v = 4 7 7 c m s 时的4 7 1 ； 当两墩| 、u j 距较小时，两墩中间的左右紊流区宽度之和b s 逐渐接近两墩间距。 弯道槽双墩试验 弯道槽的不同断面的紊流区宽度试验数据表明，当流速小( v = l o 3 1 2 9 c m s ) 时，由于弯道环流强度也较弱，在弯道不同断面，靠弯道凸岸一侧的墩柱右 侧涡漩区宽度与靠凹岸一侧的墩柱左侧紊流区宽度大致相同，两墩之间的相对总 紊流区宽度大约为o 7 0 0 9 0 ，说明流速较小时两墩间距对涡漩区宽度影响不 大当流速大( v = 2 2 5 c m s ) 时，弯道环流的作用显著增强，间距等于5 时，已 无法正确区分各墩的紊动宽度界限，但间距为7 5 c m 和l o c m 时，涡漩区宽度基本 稳定，此时，b s d = 3 5 7 和3 5 6 综合上述四组试验，对于顺直河段，可按( 1 1 2 ) 计算两侧总紊流区宽度。 对于弯曲河段应考虑弯道环流的影响，f r 小于o 1 0 o 1 4 时，可以直接引用顺直 河段的计算结果。当f r 大于0 1 0 0 1 4 时，弯道环流的作用显著增强，墩柱 周围的斜流增大，靠凹岸一侧的紊流区宽度比凸岸一侧的紊流区宽度大l d 左右， 总紊流区宽度也比直槽大得多，应在上述计算结果上增加一个较大的富裕值，或 者在试验范围内视流速大小直接取每边o 7 d 1 9 d 【4 1 4 2 1 。 ( 3 ) 武汉大学水资源与水电工程国家重点实验室试验成果 该试验通过概化水槽试验，根据桥墩后水面以下3 c m 处的紊流强度的变幅和 影响范围，确定紊流宽度。概化试验水槽长3 0 m ，宽3m ，高o 7 m ，概化水槽及测流 断面平面布置试验用矩形桥墩的尺寸为5 9 c m 3 0 c m ( 长宽) 。概化水槽试验中采 用m i c r o a d v 流速仪测量水流瞬时流速。 试验结果表明：桥墩一定范围内紊流强度会明显增强，在同一断面平均流速 u 下，桥墩前半部分的紊流强度变幅和变化范围增加，桥墩尾部紊流强度的变幅 和变化范围基本不变，且紊流强度随u 的增大而增大；在该试验条件下桥墩单侧 l o 第一章绪论 紊流宽度为o 6 5 d 1 o d ，最大紊流强度为1 - 0 d ；在该试验条件下得出的矩形墩 最大相对紊流宽度与断面平均流速的关系为 f 旦1 ：o 2 2 4 1 l n u + 1 3 2 8 6( 1 1 3 ) l d 。戡 1 2 4 桥墩墩后流场、漩涡和尾流的研究 高雷诺数下圆柱绕流发生后较长时间内的流动演化过程是流体力学迄今为 止仍未完全解决的经典课题之一。墩后流场复杂计算难度大尤其是旋涡的模拟计 算更是至今都没有完全解决的难题。它涉及到一系列理论和实际问题，如流动的 非定常分离，漩涡的形成、运动发展、剪切层演化、涡脱落、涡与涡的干扰、卡 门斡的形成和涡街运动、涡配对和合并、层流和紊流的转变及紊流的精细结构等。 上述疑难问题也涉及到了多门高等学科，如拓扑学、混沌学等，更是增加了研究 难度【4 3 4 6 1 。 雷诺数与圆柱绕流尾涡关系 一般认为圆柱绕流有两种定常的流动图案：雷诺数为较小时，圆柱后无尾涡， 当雷诺数为较大时，圆柱后有一对对称的尾涡。对于分界点雷诺数就有不同的见 解，k o v a s z n a y 、r o s h k o 等认为定常流动失稳的临界雷诺数大约为4 0 。而从周期 性尾流到湍流的详细的转变过程的实验研究基本还是空白。对均匀来流绕固定圆 柱的二维平面流动，国内外许多学者进行过大量的研究。决定圆柱绕流流态的是 雷诺数( 删的值，似5 时，流动不发生分离，5 脓4 0 ，在圆柱体后面出现一对位置 固定的旋涡；4 0 脓1 5 0 ，旋涡扩大，然后有一个旋涡开始脱落，接着另一个也脱落， 在圆柱体后面又生成新的旋涡，这样逐渐发展成两排周期性摆动和交错的旋涡， 即k a r m a n 涡街。脓1 5 0 ，涡街是层流，1 5 0 胎 3 0 0 ，旋涡由层流向紊流转变。3 0 0 脓3 1 5 ，称为亚临界区。此时，柱体表面上的边界层为层流，而柱体后面的涡街已 完全转变为紊流，并按一定的频率发放旋涡。3 1 5 脓3 1 8 ，称为过渡区。此时， 柱体表面上的边界层也转变为紊流，分离点后移，阻力显著下降，旋涡的发放不规 则，发放频率是宽频率随机的。脓3 1 8 称为超临界区。此时，重新建立起比较规 则的准周期性发放的涡街。目前，对圆柱绕流的三维数值研究则不多，然而试验表 明，即使均匀来流垂直流过等截匝的圆柱体，当胎足够大时，也会呈现三维的流动 状态1 4 7 4 9 1 。 河海人学硕i j 学位论文 旋涡的形成过程 水流绕过桥墩时首先在桥墩墩身两侧处出现较大的漩涡，称其为主涡。因为 主涡处流速相对很高，在其影响下墩后会形成后剪切层，在逆压梯度的持续作用 下后剪切层发生分离并产生反向的二次离散涡。随着时问增长，二次离散涡在有 限的范围内形成一个二次涡而，其涡量逐渐积累增强。二次涡的发生发展使附近 的流动发生明显变化并明显的影响着来流边界层脱落出来的离散涡的运动，影响 边界层分离出来的涡量的输送和对称主涡的涡量积累。这种过程发展到一定程度 会使主涡涡面发生断裂。在断裂了的一端，主涡涡面重新卷起成为第三个涡的涡 面。这第三个涡与二次涡在有限的空间范围内形成一个二次涡对。在断裂了的另 一端主涡就变成了几乎没有涡量补充的一对自由涡。此时，在小扰动影响下容易 发生脉动并开始不对称运动。主涡发生不对称运动后二次涡对将会破裂进而发展 成为卡门涡，卡门涡街的振动破坏作用对桥墩安全有极大的威胁【5 0 。5 2 l 。 圆柱绕流不稳定区域和卡门涡街的消除 圆柱绕流存在绝对不稳定区域，而绝对不稳定性由此区域的速度型确定，因 此通过改变此区域的速度型就可以达到改变甚至完全消除卡门涡街的目的。试验 发现，在圆柱尾迹区插上一个直径比原有圆柱小一个数量级以上的细圆柱，卡门 涡街消失。虽然细圆柱对尾流影响不大，却正好改变了此绝对不稳定区域的速度 型，从而将绝对不稳定性变成了迁移不稳定性。同样将一个与圆柱直径相当的分 割平板插入尾流的绝对不稳定区域也会使卡门涡街小时。实际工程中可以通过确 定绝对不稳定区域并通过施加障碍物以改变速度型方法抑制卡门涡街的形成消 除涡街振动的破坏作用【5 3 彤】。 1 3 桥墩水力特性数值模拟软件、程序及方法 1 3 1 数值模拟软件介绍 ( 1 )c f x 软件 c f x 足第一个发展和使用全隐式多网格耦合求解技术的商业化软件，这种求 解技术避免了传统算法需要“假设压力项一求解一修正压力项”的反复迭代过程， 而同时求解动量方程和连续方程，加上多网格技术，c f x 的计算速度恶化稳定性 较传统方法提高了很多。c f x 采用的数值方法是有限体积法，可以进行结构化正 交网格、不规则分块网格和非正交曲线坐标网格划分。另外，c f x 还能处理滑移 第一章绪论 网格划分功能，利用它可以模拟运动物体的边界条件。使用c f x 可以进行包括流 体流动、粒子输送过程、传热、辐射、多相流、化学反应、燃烧等许多工程实际 问题的模拟，还拥有诸如气蚀、凝固、沸腾、多孔介质、相问传质、非牛顿流、 喷雾干燥、动静干涉、真实气体等大批复杂现象的使用模型。c f x 具有很强的网 格生成和图像后处理功能，使得问题的定义、求解直到最后的结果输出都非常直 观方便。 ( 2 )f l u e n t 软件 该软件由美国f l u e n ti n c 于1 9 8 3 年推出，采用的数值方法是有限体积法。 其前处理软件g a m b i t 可以生成多种网格形状，对于二维流动可以生成三角形和矩 形网格，对于三维流动则可生成四面体、六面体、三角柱和金字塔网格，结合具体 计算要求还可以生成混合网格，其自适应功能可以对网格进行细分和粗化。运用 f l u e n t 通过c o k t e x 图形后处理软件，可以得到二维和三维图像，如速度矢量图、 等值线图( 流线图、等压线图) 、等值面图等。它还可以通过其积分功能求得力和 流量等数值。f l u e n t 可以计算的物理类型有定常与非定常流动、不可压缩与可压 缩流动、层流和紊流模拟、传热和热混合分析、化学组分混合和反应分析、多相 流分析、固体和流体耦合传热分析、多孔介质分析等。 ( 3 )s m s 程序 s m s 程序是由美国b 沛g m a y u o n g u n i v e r s t i y 开发的商用程序，主要包括：水 流计算程序、数据处理转换程序、泥沙模拟程序、水质计算程序等、水流模拟计 算程序为r m a 2 的最新版本。r m a 2 程序模拟的是二维浅水问题，采用沿水深 平均的封闭浅水方程组描述二维水流运动。 ( 4 ) l a t t i c eb o l t z m 籼方法 l b m 是2 0 世纪8 0 年代中期发展起来的用于模拟流动现象的计算方法。它从 分子运动论统计力学的观点和理论出发，以微观的粒子尺度为基础，建立离散的 速度模型，在满足质量、动量和能量守恒的条件下，得出粒子分布函数，然后对粒 子分布函数进行统计计算，得到压力、流速等宏观变量。其主要思想就是以简单 规则的微观粒子运动代替复杂多变的宏观现象，用迁移和碰撞两个相对简单的过 程再现流体的宏观特性，以二阶数值精度模拟n a v i e r s t o k e s 方程。l b m 算法简单， 模拟边界条件容易并且压力可以直接求解，该算法克服了传统方法上求解压力与 河海人学硕 ：学位论文 速度耦合方程的困难，是一种便捷而有效的流场模拟方法。 ( 5 )p h o e n i c s 软件 p h o e n l c s 软件是英困c h a m 公司的主要产品，它于1 9 8 1 年首次公开发行，是世 界上投放市场的计算流体力学领域大型通用商业软件，也是较早在全世界各研究 所、大学以及工业界得到广泛应用的计算流体力学商业软件。与c f x 和f l u e n t 一 样，该软件采用有限体积法来实现控制方程离散化，它可以模拟单相流和多相流 的流体流动、传热传质、化工反应和燃烧等现象。可能由于受到早期开发所采用 的基本框架限制，该软件在人机界面上不及后来开发的软件来得灵活。但是它也 有它独特的功能，比如它引入p l a n t 和i n f o r m 功能使用户不再需要编写f o r t r a n 源程序，它的g r o u n d 程序功能使用户添加修改模型更加任意、方便；它还可以读 入几乎任何的c a d 软件的图形文件；并且提供了双重算法选择，既有欧拉算法， 又有拉格朗日算法。 ( 6 )s t a