浅析桥墩形式对河道绕流影响

浅析桥墩形式对河道绕流影响

侯颖

署名天津农学院 300384

摘要：通过采用Flow3D软件的数值模拟，本项工作对斜交桥在不同排列方式下对河流局部水动力学特性的影响进行了探讨。重点评估了单轨与双轨斜交桥梁在多样化布局条件下，对流水造成的阻挡效应如何变化。研究结果揭示了单轨斜交桥显着增加了水流的阻力，相较之下，双轨斜交桥的相应影响并不呈直接累积效应。具体来说，由于下游桥梁的桥墩处在上游桥梁桥墩的阴影之下，其对流水的阻挡作用有所减少，同时在能量分散和速度重新分配方面起到一定作用。进一步分析还发现，桥墩与流向间的角度调整，虽然会在桥墩周边区域引起明显的水流行为改变，但这种变化并非随角度线性增长。为减轻水流扰动，建议将圆端形桥墩沿水流方向排列；若非按此布局，可通过对河床进行挖掘和拓宽等方式优化局部水流状况。本研究结果为考虑水动力学影响的桥梁设计与河流管理提供了有价值的见解。

关键词：flow3d；双线斜交桥梁；桥墩布置形式；水流流态；河道疏浚

桥梁设计与河流工程的互动关系历来是水利和土木工程研究的核心领域之一。随着交通基础设施的快速发展，桥梁不仅承担着连接河岸、促进区域交流的重要任务，同时也对河流的水文水力条件产生深刻影响。在众多因素中，桥墩作为桥梁的关键结构组成部分，其形式对河道绕流的影响尤为显著。特别是在多数情况下，由于地形和线路的限制，桥梁需要以斜交方式架设于河流之上，这种布置形式更是增加了桥梁对河流流态的影响，引起了水流阻力的增加，从而影响河流的流速、流向乃至河床的稳定性[1]。

斜交桥由于其与河流的交叉角度，使得桥墩的阻水效应和对流场的影响更为复杂。此外，桥墩形式、布局以及斜交角度等因素对河道绕流的影响机制和程度均有着不同程度的作用。这些因素不仅影响桥梁自身的安全性和稳定性，还可能对上游的水位、下游的河床冲刷以及周围生态环境造成影响。因此，深入研究不同桥墩形式对河道绕流的影响，对于桥梁设计、河流管理以及生态保护具有重要的理论意义和实际应用价值。

尽管国内外学者已经对桥墩对流场影响进行了一定的研究，但鉴于斜交桥的特殊性，相关研究成果相对较少，且多数研究侧重于单一桥墩形式或特定流体条件下的分析，缺乏对不同桥墩形式、布置方式及斜交角度综合影响的系统研究。鉴于此，本文旨在通过采用先进的水动力学模拟软件flow3d，对某实际斜交桥所在河段的不同桥墩形式及布置方式对绕流效应和局部流场影响进行详细的模拟分析，以期为斜交桥设计提供科学依据，确保其在满足交通功能的同时，也能兼顾河流生态安全和水文水力条件的合理性[2]。

1 河道及工程概况

本研究所关注的桥梁位于一条典型的中等规模河流上，该河流呈现出一定程度的弯曲特征，河道宽度在50至80米之间变化，纵向坡度介于1‰到1.2‰之间。河岸两侧主要由沙质黏土构成，这种土质有利于河岸的稳定性，从而形成了一个单一河床的稳定河道环境。在此河段中，计划建设两座桥梁，目前已有一座桥梁完工并投入使用，而第二座桥梁（以下简称“2桥”）正处于规划建设阶段。

2桥设计为跨越河流，位于已建成的第一座桥梁（以下简称“1桥”）下游约14.2米的位置。2桥的总长为211.91米，按照6跨的设计方案进行布局。在结构设计上，2桥与1桥保持一致，两座桥的轴线平行，并且桥梁轴线的法线方向与水流的交接角度设定为50°。这种设计旨在确保两座桥梁在水动力学特性上的一致性，以及在施工和未来运营过程中的稳定性。

对于桥墩设计，1桥采用了圆柱形桥墩，其中主跨区域的两个桥墩直径为3.6米，其他桥墩的直径为2.2米。而2桥则选用了圆端形桥墩，这种设计在桥轴线法线方向的桥墩宽度为4米，而在桥轴线方向的桥墩宽度为2.5米，旨在提高桥梁的水动力学性能和减少水流对桥墩的冲击力。

图１ 桥墩平面布置与测点布置

两座桥梁的桥墩均按照顺河流方向的对孔布置方式进行编号，分别为1号至2号（从左岸到右岸依次编号）。桥址附近的河道形态以及两座桥梁的具体位置关系对于本研究的水动力学分析至关重要，因为它们直接影响到桥墩对河道绕流的影响程度和模式。通过对这些因素的综合考虑，本研究旨在提出一种既考虑到工程实用性，又能最小化环境影响的桥梁设计方案。

2 平面二维数学模型的建立及验证

2.1 模型网格剖分

为了精确地模拟不同桥墩形式对河道绕流的影响，本研究采用了广泛应用于水动力学研究的flow3d模型中的Flow Model FM模块进行模型构建。为确保模拟结果的精确性和可靠性，选取时间步长为10秒，通过非结构化网格的方法对研究区域进行了细致的网格剖分。

模型网格分为三个层级进行加密处理，以适应不同区域对精度的需求。一级网格覆盖整个模拟区域，网格边长的平均值设置为4.5米，最大面积控制在20平方米以内，以确保模型在较大尺度上的水流动态能够被准确捕捉。二级网格针对于桥梁周围上下游大约100米的区域进行加密，这部分的网格边长平均值为2米，最大面积控制在5平方米以内，目的是为了更精细地模拟桥墩周边的水流状态。三级网格专门用于桥墩及其附近的高精度模拟，网格边长的平均值减小到0.5米，最大面积控制在0.2平方米以内，确保了对桥墩绕流影响的高精度捕捉。在这一层级的网格中，对于1号桥墩的径格比达到了6.0以上，2号桥墩的径格比达到了7.0以上，均明显高于5.0的基准要求，这样的设置有利于精确模拟绕流细节及其对河流整体流态的影响。

图2 模拟河段的计算网格

通过上述三级加密网格设计，本研究旨在综合捕捉大尺度河流流动趋势与细节尺度桥墩绕流现象，以期对不同桥墩形式及其对河道绕流影响进行全面而精确的分析。具体的网格剖分情况及模拟区域示意图2所示。

2.2 模型桥墩的处理

在执行河流工程的二维数值模拟时，对桥墩处理的方法主要包括：局部地形的调整法、局部糙率的调整法和综合调整法。本研究采用了综合调整法来模拟桥墩对水流的影响，该方法基于对河道实际占用面积的桥墩进行减除，同时对河床糙率进行两方面的区分：基本糙率和等效糙率。基本糙率指的是不考虑水工建筑物影响下的河床糙率，而等效糙率则综合考虑了水工建筑物，即桥墩，对河床糙率的影响。

等效糙率的计算采用以下公式，结合实际河床糙率和水工建筑物的阻力特性进行评估：

                                                             （1）

其中，n等表示等效糙率，n床为基本河床糙率，H是水深，A′代表桥墩在垂直水流方向上的投影面积，CD为桥墩的阻力系数，由单桩阻力系数Cd、桩群当量系数Kd和桩数Nd共同决定，△代表网格尺寸。

在使用flow3d软件进行水流模拟的过程中，处理水工建筑物所占河道面积的常用方法有将局部地形进行拔高和将建筑物设置为不过水岛屿两种。鉴于斜交桥桥墩的不可淹没特性，本研究选择了将桥墩所在区域设置为不过水岛屿的方式来模拟桥墩对水流的影响。此方法不仅简化了模型的计算过程，而且能够较好地模拟桥墩对流场的局部影响。

在计算桥墩等效糙率时，依据以往的工程经验，桥墩局部的等效糙率通常取河床基本糙率的2至3倍为宜。这样的取值能够较为合理地反映桥墩结构对水流阻力的增加，以及对河床流态产生的影响。通过这种方法的应用，可以在数值模型中较准确地模拟桥墩对河道绕流的影响，为后续的水动力学分析和工程设计提供科学依据。

2.3 模型验证与计算工况

为确保二维数学模型的准确性和可靠性，模型的验证过程采用了不同洪水频率下的洪峰流量及相应水位作为边界条件，包括5%、10%的极端洪水频率和多年平均洪水条件。模型中的重要参数，Smagorinsky的子涡扩散系数（CS），设定为0.28，这是基于广泛的水力学研究和实际应用经验得出的标准值。

在模型的糙率设置上，参照了《水力计算手册》中关于山区河道的糙率选取范围及其沿程变化特性的建议[3]。河道糙率被设置在0.018至0.025之间，以适应河床的实际条件，而滩地区域的糙率则在0.030至0.035之间变动，这样的区分旨在更精确地反映不同地形对水流阻力的影响。通过对历史洪水事件的反演分析和洪痕调查比对，验证了模型设定糙率的合理性，确保了模拟的水面线与实际情况的相似度。

在本项研究中，为了深入探讨斜交桥桥墩布置角度对流体动态的影响，我们设计并分析了一系列的工况。这些工况旨在考察不同角度下桥墩布置方式对河流水流状态的具体影响，涵盖了以下情况：基础情况，即河道仅包含一座单线斜交桥；方案I，展示了一对双线斜交桥中的桥墩平行于水流方向（0°角度）的布置情况；方案II，同样针对双线斜交桥，桥墩则呈现15°角度相对于水流方向的布置方式；方案III，双线斜交桥2桥桥墩与水流方向成30°夹角布置；方案IV，双线斜交桥2桥桥墩与水流方向成50°夹角布置；方案V，双线斜交桥2桥桥墩与水流方向成75°夹角布置；方案VI，在方案IV的基础上，进行桥址附近河道两岸的开挖拓宽以补偿过流面积；以及方案VII，作为对照的无桥河道情况。在上述8种布置方案下，结合3种不同频率的洪水条件，共计24个工况进行了详细模拟，旨在全面评估桥墩布置形式对河流水流和水文条件的影响，为后续的工程设计和水资源管理提供科学依据。具体的工况设置将在后续的表格中展示，以便于对比分析各方案的水流模拟结果。

3 模拟成果分析

为定量评估桥梁对河道过流能力的影响，本研究采用阻水比作为主要衡量指标。在选定的过流断面下，阻水比反映了桥梁引起的过流能力减少程度，可通过阻水宽度来计算。尤其当桥梁与水流斜交，并且桥墩采用圆端形设计时，桥墩的阻水宽度B可由以下公式计算得出：

B=（L-b）sinα+b                         （2）

其中，B代表桥墩的阻水宽度，单位为米；L是桥轴线法线方向上的桥墩宽度，单位为米；b是桥轴线方向的桥墩宽度，单位为米；α为桥墩长轴轴线与水流方向间的夹角，单位为度。

表1 给出了不同洪水频率下的模型边界条件与计算工况，涵盖了从极端洪水事件到多年平均洪水条件的多种场景。此外，模型考虑了从无桥墩影响的基准情况到不同桥墩斜交角度下的多种变化情况。

表1 模型边界条件与计算工况

为深入分析模拟成果，布设了99个测点监测流速变化。对于2号桥，仅在1号桥墩附近设立的测点放大图给出，而2号桥墩的监测点与桥墩的相对关系保持一致。在不同频率洪水条件下，通过上述综合修正方法计算的1号和2号桥墩的阻水宽度B，进一步得出了桥梁的阻水比结果，详细数据列示在表2中。

表2 桥梁阻水比结果

通过表2的数据可以看出，随着桥墩斜交角度的增大，阻水宽度和阻水比均有所增加，反映出桥梁对河道过流能力的影响随斜交角度增加而增大。

表3 桥墩布置形式对河道水流影响计算成果

通过对比分析模拟结果可知：

（1）在不同频率洪水条件下，二维数学模型计算得到的模型流速相比于公式计算流速的比例大致在90%至100%之间波动。这一现象表明，当桥梁存在时，模型计算流速普遍低于理论公式计算值，尤其是在无桥基准情况下，模型流速与公式流速的比值接近100%，显示出模型与理论计算之间存在一定的偏差，这可能是由于实际河道地形和流体动力学条件的复杂性超出了理论公式的简化假设[4]。

（2）从方案I至方案V的流速对比中可以看出，桥墩布置角度与其阻水作用之间存在复杂的非线性关系。虽然理论上桥墩的阻水作用与布置角度呈正相关，但模型结果显示，流速的变化并非单调函数关系，即流速的减小幅度并不是随着桥墩布置角度的增大而一致增加，这指出了桥墩布置角度对流速影响的复杂性。

（3）在仅有1桥的情况下，桥梁的存在显著增加了阻水作用，随着流量增加，其影响更为明显。当同时存在1桥和2桥时，2桥桥墩对河道水流起到了消能和流速再分配的作用，但其阻水作用并不显著，特别是当1桥桥轴线与水流方向夹角较大时。分析表明，1桥桥墩在某种程度上对2桥桥墩产生了遮蔽作用，减少了其对水流的阻碍。

（4）通过在桥址附近河道进行开挖拓宽，增加过流宽度和面积，可以有效降低河道单宽流量，改善桥前水流分布情况，从而减少桥墩的阻水影响，使得模型流速降至或低于无桥情况下的原始流速。特别是在5%频率洪水条件下，通过对比1桥存在与不同2桥桥墩布置角度（包括0°、30°、50°以及50°挖河方案）的流场结果，可以直观地看到开挖拓宽措施对于减轻桥墩阻水影响的有效性[5]。

结论

（1）此项研究经由模拟不同配置下桥墩对水道流动所造成的影响进行了探究，结果显示，上下游桥梁之间的孔间距以及桥墩的尺寸比对彼此的影响较为微小。特别是在下游桥梁的桥墩紧邻上游桥梁桥墩并以相对应的孔位配置时，其阻水效能受到上游桥墩的掩护作用，进而影响了对水道流速的抑制效果。

（2）发现表明，单线型斜交桥显著增加了水流的阻力，而双线型斜交桥所产生的阻水效应并不是两者效应的简单相加。数值模拟揭示了下游桥梁桥墩阻水能力与其布置角度成正比关系，但受到上游桥梁桥墩遮挡的影响，其阻水能力有所降低。同时，桥墩的布置角度对周围水流的影响并非线性，即在桥墩周边区域，水流受角度变化的影响较为显著，而在远离桥墩的其他区域，这种影响则较为有限，显示出随着角度的增加，其影响程度并非持续增强。

（3）对于圆端形桥墩的安置方法，本研究推荐优先考虑与水流同向的布局，目的是降低其对水道流速的干扰效果。在非同向布置的圆端形桥墩对其周围水流造成显著影响的情况下，采取措施如对桥梁所在位置的河道进行挖掘和扩宽，可有效减少河道的单位宽度流量并扩大水流通过面积，进而显著改善流动状况。此类干预措施不仅助于缓解桥墩所引起的水流干扰，还为河流水流的分布提供了改善，为桥梁的设计及水域的管理带来新的思路。

参考文献

[1]高坡. 桥墩体型优化数值模拟 [J]. 吉林水利, 2024, (02): 42-47.

[2]杨泽轩. 多级顺水桥墩绕流特性及冲刷模拟研究[D]. 导师：张新燕. 西北农林科技大学, 2023.

[3]陈锦超. 组合型桥墩防冲刷装置优化设计及减冲机理研究[D]. 导师：王炎. 浙江理工大学, 2023.

[4]王云骏. 基于数值模拟的桩林坝绕流冲刷研究[D]. 导师：张友谊;戴春政. 西南科技大学, 2023.

[5]刘昂, 田璐, 陈启刚, 王忠祥, 徐杰梁. 局部冰塞体尺寸对桥墩绕流和冲刷的影响 [J]. 公路交通科技, 2022, 39 (11): 84-94+150.