考虑护圈主动防护的桥墩局部冲刷数值模拟研究.pdf
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1、工程结构四川建筑第43卷第4期考虑护圈主动防护的桥墩局部冲刷数值模拟研究尚培培(国能朔黄铁路发展有限责任公司,河北沧州0 6 2 350)【摘要】为研究水流作用下圆柱桥墩的局部冲刷特性,以RANS方程作为控制方程,运用计算流体动力学软件FloW-3D建立了考虑边界层效应的三维数值冲刷精细化分析数值模型,并根据前人试验验证了数值模型的准确性。通过精细化数值模拟,对考虑护圈主动防护的圆柱桥墩局部冲刷进行了分析。结果表明,主动防护护圈防护效果较好,可为实际工程中同类圆柱桥墩的冲刷防护提供借鉴与参考。【关键词】桥墩;局部冲刷;护圈;主动防护【中图分类号】U443.860引言近年来,大量的跨江、跨海桥梁
2、在世界范围内建设。与陆地桥梁不同,水流会从桥梁墩台和基础等周围淘掘并带走泥沙,形成局部冲刷侵袭,进而改变结构的固有频率,降低地基的侧向承载力,甚至造成桥梁结构破坏1-2 。2 0 世纪90年代至2 1世纪初,我国桥梁水毁造成的直接和间接经济损失高达10 0 亿元3。可见桥梁基础结构冲刷是造成桥梁结构功能失效、丧失其安全性能的最主要原因之一4,已成为涉水桥梁安全的重大威胁5。桥梁冲刷危害不仅会产生经济上的损失,也会造成人员上的伤亡,桥墩冲刷机理和冲刷防护措施越发引起研究学者的关注。冲刷是一种随诸多因素变化的动态现象,其机理十分复杂,并且随着影响因素的改变表现出不同的冲刷特性。目前研究水流作用下结
3、构冲刷特性的研究方法主要分2 类:一是现场和水槽试验;二是计算流体动力学(CFD)模拟“8 。随着近年来计算机运算能力的提升,数值模拟耗时少、费用低廉并可以细致地观察流场及冲刷形态,越来越为广大学者接受。近年来,桥墩的局部冲刷防护受到大量学者的关注,通过减小冲刷水流的原动力,许多学者相继提出不同的冲刷主动防护对策,如墩前牺牲桩、护圈和桥墩开缝等7.9。护圈由于其施工难度低和造价低的优点,成为桥墩防局部冲刷的首选。然而,目前针对护圈冲刷防护机理以及减冲效应的研究较少,护圈在实际工程中的冲刷防护效果还有待进一步验证。因此,本文基于不可压缩粘性流体理论建立冲刷数学模型,以RANS方程作为控制方程,在
4、确保软件的准确性和可行性基础上,开展有无护圈2 种工况下的圆柱桥墩局部冲刷数值模拟,分析了护圈对水流作用下圆柱桥墩局部冲刷的主动防护效应,并通过墩周流场分析揭示了护圈的冲刷防护机理。1数值计算理论基础1.1基本控制方程本文采用Flow-3D软件建立水流-单墩-泥沙相互作用的数值模型。假设水流是一种不可压缩粘性流体,满足流体运动的基本控制方程。以连续性方程与动量守恒方程(即198【文献标志码】A不可压缩粘性流体的Navier一Stokes方程,简称NS方程)作为控制方程,在控制方程中引入体积分数和面积分数,其连续性方程及动量守恒方程:连续性方程为式(1)。(uAx))+ay动量守恒方程为式(2)
5、。1+A+WA,aul=1P+G,+fVuAatdx3+DA1uAatVatVuAdx式中:u,u,w分别表示流体在x,y,z3个方向上的速度分量;AxA,A,分别表示,y,z3个方向上可流动流体的面积分数;V为可流动流体的体积分数;p为流体动压强;p为流体密度;G,G,G,分别表示x,y,z3个方向上的重力加速度;xf,f,分别表示x,y,z3个方向上的粘滞力加速度。1.2湍流模型由于冲刷计算对瑞流模型较敏感,本文在研究水流一单墩-泥沙相互作用模拟中采用RNGk-模型对控制方程进行封闭。RNGk-流模型的方程中引入了面积分数Ax,A,A,和体积分数Vr,对应的端动能k方程和耗散率方程的表达式
6、见式(3)、式(4)。k+(akT+UA,akTuA+WAatVPa+Gt+Dift-STa8Ta8T+vA,28T+WA,otVuAX定稿日期 2 0 2 2-10-17作者简介尚培培(198 4一),男,硕士,高级工程师,研究方向为既有重载铁路桥梁病害整治。VA.ayy+WAayz了+VA+WAaydz了ZyXyAay(wA,)=0z了PZdxP+G,+f,Pay1卫+G,+f.Pzakr二zz(1)(2)(3)(水流横截面)的计算长度取18 m;Z方向取5m高度作为正尚培培:考虑护圈主动防护的桥墩局部冲刷数值模拟研究CDISL:-1(P+DIS:)+if-DIS2.4)kT式中:k为端动
7、能;8 为端动能耗散率;无量纲的调整参数CDIS1=1.42,CDIS3=0.2,CDIS2值由模型中的k和P计算得出;P为由于速度梯度产生的动能产生项;G为由于浮力引起的湍动能产生项(默认取值为0);D评和Diff。是与体积分数V有关的扩散项,Diff为动能扩散项,D。为湍动能耗散率扩散项。1.3泥沙运动模型本文假定泥沙为非粘性沙颗粒,泥沙夹带上升速度采用Mastbergen经验公式见式(5)。(5)Pf式中:;是夹带参数,初始取值为0.0 18;n,是推移质表面的法向量;Q;,0cr,分别为希尔兹参数及其修正值;g为重力加速度;d,为颗粒中值粒径,pi,p为模型沙的密度和水的密度。d表示希
8、尔兹指数的无因次参数,表达式为式(6)。d.=d Pe(e,P)t(6)式中:为流体动力粘度。淤积产生于泥沙下沉,泥沙沉积速度采用Soulsby经验公式见式(7)。(10.362+1.049d)0.5 10.36Us=式中:U为流体的运动粘性系数。推移质输沙率q;表达式为式(8)。q=:式中:,为单位宽度体积流率;其表达式为式(9)。;=:(0:-0 m.)-c b.式中:,为经验系数,取值为8;Cb,为河床材料的体积分数。泥沙输运方程表达式见式(10)。at式中:Ci为悬移质浓度;D为扩散率;usi为悬移质速度。冲刷产生机理即为水流冲刷作用使得泥沙上扬力大于重力和粘结力,泥沙起动;当剪切力小
9、于临界剪切力时,泥沙将会落淤沉积,即产生软件中所谓的冲刷与沉积。2数值模型2.1数值模拟流程本文数值模拟主要内容包括:建立数值水槽模型,确定合理的计算网格划分方案;基于试验数据,验证数值模型的准确性和可靠性;开展圆柱桥墩局部冲刷数值模拟,对考虑护圈主动防护的桥墩局部冲刷防护效果进行分析。2.2边界条件和网格划分在Flow-3D软件中,直接建立无地形的桥墩局部冲刷数值模型。X方向(水流方向)的计算长度取40 m,Y方向常水位下的冲刷模型,其中有2 m作为河床泥沙的高度。桥墩外径2 m,位于数值模型的正中间。正常水位下水槽的冲刷数值模型如图1所示。Vgd;(p;-pr)图1正常水位水槽冲刷数值模型
10、无地形冲刷数值模型的端流模型为RNGk-8模型,边界条件除河道侧面采用对称边界(Symmetry)外,其余的边界均一致。网格在X-Y上采用均一网格,可提高计算精度,在Z方向进行加密,也采用均一尺寸的网格大小,真实模拟非山区地形下的典型桥墩冲刷问题。本文预设了3种不同的Z方向网格大小,分别为0.12 5m、0.15m 和0.2 m,以探讨不同的Z网格大小对最大冲刷深度和范围的影响状况。表1分别给出了3种网格大小下的最大冲刷深度计算结果,从表中可以看出,在不同网格作用(7)下,最大冲刷深度不一致,但相差较小。考虑到模拟的计算效率和精度,本文在Z方向采用0.12 5m的网格大小。表1不同的Z网格大小
11、与最大冲刷深度乙方向网0.125(8)格大小/m最大冲刷深度/m(9)冲刷形态如图2 所示,针对非山区地形下的桥墩冲刷,X方向和Y(10)方向的网格大小相同,均为0.2 m。为了精确捕捉到泥沙的冲刷深度和堆积高度,Z方向的网格相对于X、Y方向来说,进行了加密,网格大小为0.12 5m。(a)主视(c)左视图2 水槽冲刷数值模型网格划分0.1500.9750.954(b)俯视(d)Fa v o r 技术捕捉0.2000.902199工程结构3有无护圈时桥墩局部冲刷数值模拟在实际工程中,可以通过在河床高程附近增设底板或者护圈等,减小冲刷水流的原动力来提高桥墩抗冲刷性能,这种“减冲”的防护方式即主动
12、防护。比较典型的方法有墩前牺牲桩、护圈、环翼式桥墩、护壳、桥墩开缝和下游石板等防护措施。墩前牺牲桩方法容易受到水流方向变化的影响,当水流变化达到一定程度时,可能彻底失去防护作用;下游石板防护方案也易受河流和基础结构的影响,在较大的河流状态下易导致防护措施结构失效,起不到防护措施的作用;此外,由于水流的急速性和方向不确定性,会导致环翼式桥墩的防护效果大打折扣,也会受到上游卵石的撞击,导致结构破坏。综上所述,本文主要针对防冲刷护圈方案进行冲刷防护效果分析。针对某高速公路圆形桥墩(外径取2 m),本文采用防冲刷护圈方案,对桥墩局部冲刷进行数值模拟。在流速0.8 42m/s、水深5.56 5m的单墩冲
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