河桥梁墩柱形态对水体流动影响研究

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翻新时间：2022-08-13

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河桥梁墩柱形态对水体流动影响研究

【摘要】桥梁工程的兴建大大加快了交通运输的发展，为人类社会经济活动的开展提供了保障。十九世纪末，学术界注意到桥墩会对河道内的水体流动产生一定的影响：由于水流过桥墩时需克服阻力，在桥墩前会形成一定的水位壅高，使得桥墩附近流速变化，并影响附近的床面形态，形成桥墩冲刷坑。流场的变化和冲刷坑的形成增加了两岸的防洪压力并且威胁桥梁本身。

【关键词】桥梁工程；阻水效应；水位壅高

胡旭跃等采用粒子图像测速技术，对直槽和弯槽中圆柱周围近区表层的速度分布进行了测量，分析所得数据发现桥墩压缩水流，桥孔内流速明显增大。何建国，方红卫等提出了从模型对不同收缩比条件下桥墩绕流情况的计算采用的k-ε紊流模型能够很好的给出紊动黏性系数的分布情况和变化趋势，并据此计算出桥墩后部背水区的水流漩涡情况。

黄尔，曹叔尤，刘兴年，D.W.Knight应用试验资料对拱桥法进行了验证，发现拱桥法往往过高估计桥梁壅水。提出了计算复式河道桥梁壅水的边滩等价河宽的概念和计算方法，计算出的桥梁壅水与试验数据吻合良好。吉红香，郑静，黄本胜，林美兰，杜涓为了降低桥墩所造成的水位奎高，研究对排洪渠的扩宽、挖深进行了多方案试验比较。且对扩宽并挖深1.0m做了水力学计算分析。周勤，尹崇清，张湛利用二维水深平均方程对不同斜交角度桥墩对水流的扰动进行了数值模拟。

丁伟等采用VOF（volume of fluid）方法和标准k-ε模型，对涉河桥梁桥墩附近河段三维流场进行了精细模拟，通过不断改变桥墩宽、桥墩数、桥梁跨径、桥墩和水流的夹角、桥梁和水流的夹角和桥墩的布置形式等，进一步分析各个因素对桥梁壅水的影响。计算分析成果表明桥墩在桥梁稳定的前提下，减少其宽度可以有效地降低壅水高度，同时双圆柱型桥墩有利于降低壅水高度。桥墩轴线尽可能顺应水流流向，桥梁轴线尽可能与水流流向垂直，至少要将夹角控制在大于65°。

黄东、郑国栋、黄本胜，赖冠文等初步系统地调查了珠江三角洲桥梁的总体和局部分布、桥梁尤其是桥墩的结构形式、桥梁所在河段的河道特性及断面特征等塞本情况。进行了三座典型桥梁的阻水水文观测，对桥梁限水情况提出了初步的定性判断，并为进行下一步的桥梁阻水研究提出了建议：修建桥梁前除对桥梁阻水问题进行近似计算外，还需通过物理模型或建立比较精密的局部数学模型进行较详细的研究和论证。

河道桥梁桥墩对水体流动影响主要体现在桥墩的阻水效应上。在流量小时并不明显，但是在洪水期却十分显著。桥墩的对水体流动影响所带来的危害主要体现在两方面。一方面桥梁壅水抬高了桥梁上游水位，增大了淹没面积，滞蓄了洪水，从而增大洪水灾害。如果流量过大，使洪水漫过桥梁，甚至冲毁桥梁，将造成更大的灾害；而另一方面，桥孔约束水流，桥下流速增大，使原来水流与河床泥沙相对运动平衡状态遭受破坏，导致桥墩桥台附近发生局部冲刷，并引起桥墩周围河床产生一定的冲淤变化，若桥墩周围河床冲刷深度较大则可能危及桥梁自身的安全，同时也会对桥梁通航及行洪产生不利影响。

反观桥梁建设方面，根据前人大量的建设经验，桥墩形状已经形成了一定的设计规范，达成设置为流线型或者圆墩柱头的共识。在现今大城市的桥梁大多综合考虑了桥墩阻水效应和工程实施复杂度，桥墩形态设计趋于统一和规范化。而在中小城市以及偏远山区，桥梁的建设却少有考虑桥墩对水体流动影响，桥墩形态不一，现在缺少对中小型河流桥墩形态的相关统计。

此外，国内外对桥墩影响水体流动的研究大部分为对阻水效应的具体数值计算和分析，忽略了对不同形态墩体的研究。并且，之前大多数的学者大多针对特定桥梁工程进行研究和探讨，而少有研究桥梁阻水普遍特性。

不同形态的墩体由于阻水比的不同，壅水效果以及对墩体周围水流流速的影响不同，导致了其附加阻水面积的不同。本课题小组将在南京周边的河道全面统计考察不同桥梁墩体的各类数据，参考图纸并建立模型，比较研究各种形态桥墩对河流阻水的影响。在研究方向上，本课题小组的研究将着重对不同形态墩柱阻水比对水流的影响以及附加阻水面积等方面进行分析，弥补前人在此方面研究的欠缺与空白，为今后可能发生的桥梁事故提供一种有效的解释；其次，最大程度地减少后续桥梁建设对河道尤其是防汛安全管理的不利影响，也可为现已建成的桥梁工程缓解阻水效应提供一种可行的补救措施，对防汛工作将起到事半功倍的作用。在我国桥梁事业飞速发展的大好形势下，具有重要的工程指导意义。