跨河桥梁压缩冲刷数值模拟研究.pdf

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1、第32卷，第5期中国铁道科学Vol_32No．52011年9月CHINARAILWAYSCIENCESeptember，2011文章编号：1001—4632(2011)05—0043—07跨河桥梁压缩冲刷数值模拟研究郭辉，齐梅兰(北京交通大学土木建筑工程学院，北京100044)摘要：桥梁的水下结构压缩河道，造成河床冲刷，危害桥梁基础的安全。根据水、沙运动及河床冲淤变形方程，考虑压缩断面上下游出现回流的特点，通过边界概化处理，获取有效过流断面面积，用泥沙颗粒分组考虑实际河床泥沙颗粒的不均匀性，建立跨河桥梁压缩冲刷的一维数值计算模

2、型。用该模型计算的长江某大桥河段水位及河床高程与实测值的绝对误差分N4,于0．1和0．5m，验证了模型的可靠性。应用该模型对桥址河段河床压缩冲刷的研究结果表明，汛期大流量时冲刷明显，而汛后小流量时可能有微淤；在相同水、沙条件下，对回流边界合理的概化处理可使压缩冲刷计算的结果更接近于实测值，并能反映压缩断面上、下游近区的冲刷发展过程；在压缩冲刷计算模型中考虑河床泥沙颗粒的不均匀性，比以往均匀沙假设更合理。关键词：河床；跨河桥梁；压缩冲刷；边界概化；一维数值模拟中图分类号：U442．32文献标识码：A桥梁等跨河建筑物的水下结构可局

3、部阻挡过此，冲刷的模拟受水流运动、泥沙运动及河床变形流，压缩过流宽度，产生水流侧向收缩，减少了断的控制。韩其为、杨国录、吴伟明、李义天等对河面宽度和过水面积，使水流单宽流量增加，引起河床冲淤演变的数值模拟进行了深入研究，并建立了床冲刷，即压缩冲刷。压缩断面上下游的水流结构各自的一维数值计算模型E¨。本文在河床宽度一发生变化，在一定范围内形成回流区。回流区与断维数学模型的基础上，建立适用于桥梁压缩冲刷的面流速重新分布有着密切的关系L】]，而流速重分布数值计算方法，对跨河桥梁压缩冲刷进行研究。又会对断面冲淤产生影响。因此，跨河桥梁

4、压缩冲刷不仅应考虑本断面收缩造成的影响，还应考虑到1数值计算方程上下游水流结构的变化。早在20世纪3O年代Straub采用一维冲刷原1．1水沙运动基本方程理对长压缩段内的冲刷问题进行了研究¨2]，随后从水沙运动理论的角度考虑，桥梁压缩冲刷的Laursen根据长压缩段输沙平衡原理，导出了桥梁计算模型由以下基本方程组构成]。压缩冲刷水深的计算公式l3]，至今仍广泛用于桥梁水流连续方程：压缩冲刷的计算[4]。我国的相关研究也很多，最具影响的压缩冲刷(tk称一般冲刷)计算公式已纳+==：0(1)入《铁路工程水文勘测设计规范》和《公路工

5、程水水流运动方程：文勘测设计规范》[6。]，在工程实际中得到了广泛的应用。但由于桥梁压缩冲刷的影响因素较复杂，公(【筹)J+十吉(【筹)+十g+十g一。u式计算结果存在一定程度的不确定性，而且只能反(2)映一定流量下压缩冲刷的单一值，因而对压缩冲刷泥沙连续方程：的进一步研究很有必要。d+⋯aB,o(SS)(3)桥梁压缩冲刷表象上是由于断面束窄引起的，zd￡实质上是束窄边界变化引起的水、沙运动问题。因河床变形方程：收稿日期：2010—11—15；修订日期：201I-05—21基金项目：国家自然科学基金资助项目(50778018)

6、；铁道部科技研究开发计划项目(2007G041)作者简介：郭辉(1982一)，男，湖南常德人，博士研究生。44中国铁道科学第32卷旦+旦+ID，B三一0(4)Q，50，)(A十d32d。水流挟沙力公式：△。，Bf’+箬Q，)S一S(，h，)(5)l一1，2，⋯，N(8)式中：B为河流宽度；h，A，Q和分别为断面对以上分组悬移质含沙量进行累加，得到总含平均水深、过流断面面积、流量以及平均流速；R沙量S+。为水力半径；Y为水位；Yo为断面平均河床高程；1．3．3河床变形方程的离散S和S为断面平均实际含沙量和水流挟沙力；叫联立式(3

7、)和式(4)，可得河床变形方程的为悬移质断面平均沉速；p为泥沙干密度；g为重差分格式：力加速度；为糙率；a为恢复饱和系数；z和t分别为空间坐标和时间坐标。△y。1===¨H1(s¨-】一s1)](9)由于大多数河流泥沙运动的形式主要为悬移运△y。，为第i断面在第+1时段总的冲淤量，动，故式(4)等号左边第1项未考虑推移质运动。它等于各悬移质粒径组的累积冲淤量，即1．2泥沙级配变化的考虑河床泥沙及水流来沙的粒径通常很不均匀，在+一EzlY~o===E×冲淤演变过程中起着重要作用，在跨河桥梁压缩冲[口，叫f．l(s，1一S1)](

8、10)刷的计算中需要加以考虑。本文分别对水流中悬沙式中：△y+为第z组泥沙对应的河床冲淤量。级配和床沙级配在水沙运动中的变化进行模拟。考虑到流量由大变小的变化过程中，跨河桥梁束窄断2跨河桥梁压缩河段边界的概化处理面也会存在一定回淤，另外，压缩段之外的河段也存在冲、淤变化，所以