橋墩局部沖刷（local scour near pier）指的是由於橋墩的阻礙，水流在橋墩周圍產生強烈渦流而引起的沖刷。為了便於計算，假定橋墩局部沖刷是在一般沖刷完成後的基礎上進行的。橋墩計算公式中的墩前水深和流速都是採用一般沖刷後的水深和流速。墩台周圍河床的最大沖刷深度是各種沖刷綜合作用的結果，它直接威脅著墩台基礎的安全。為了便於研究，把這一複雜綜合的沖刷過程，分為獨立的三個部分，即自然演變沖刷、一般沖刷和局部沖刷。局部沖刷受水流狀態、橋墩墩形、床沙組成、河床形態等因素共同影響。按照是否有上游來沙分為清水沖刷與動床沖刷。按照沖刷的水流情況，分為單向流沖刷、潮汐往複流沖刷以及潮汐河口混合水流沖刷。上遊行近流速 v對局部沖刷深度的影響
1. 當行近流速 vo小於床沙起 沖流速vo，床面泥沙靜止不動，橋樑墩台周圍不發生局部沖刷。
2．當 vo` ≤v≤vo( 是床沙起動流速 )時，在橋樑墩台周圍因繞流而使局部流速增大，該處床沙移向下游，出現沖刷坑。沖刷坑內無上游來沙補給 ，稱為清水沖刷。
3．流速 v增大到或超過床沙起動流速 ，即 v≥vo，床面泥沙大量起動 ，沖刷坑內得到來沙補給，沖刷深度隨流速而增大的變化大為減弱 ，這種沖刷稱為動床沖刷。由於動床泥沙補給，沖刷率可以推知當流速達到一定值後，不會增加局部沖刷深度。
基本介紹
- 中文名：橋墩局部沖刷
- 外文名：local scour near pier
- 組成部分：自然演變沖刷、沖刷和局部沖刷
- 影響因素：墩前水深和流速
- 所屬領域：交通
- 產生原因：橋墩的阻礙 水流產生強烈渦流
橋墩局部沖刷三維性態發展,概述,1三維CFD 沖刷模型,2數值模型驗證,3橋墩結構形式影響分析,4結論,
橋墩局部沖刷三維性態發展
概述
基礎結構的沖刷病害是當今橋樑結構功能失效、喪失其安全性能的最主要原因之一． 以美國為例，從 1966 年至 2005 年，全美倒塌橋樑( 1 502 座)中 58% 的破壞橋樑與橋樑基礎結構的沖刷病害有關，美國交通部已將橋樑基礎沖刷看作是高速公路橋樑結構功能及安全性能失效的最常見原因之一．據美國交通安全委員會統計，每年用於修復及彌補遭受基礎沖刷病害橋樑的費用平均高達 3000 美元事實上，沖刷模型實驗是較為常見的局部沖刷預測方法，且橋墩幾何形態與實際能夠最大限度保持一致，但實驗人力物力花費較高，無法廣泛套用於一般中小跨橋樑設計，而沖刷卻往往發生在這些普通跨徑橋樑之中． 另外，規範建議的沖刷深度計算公式逐漸成為橋樑基礎沖刷深度預測的主要理論依據，該方法簡單實用，可快速對橋樑基礎沖刷病害進行預判． 但是計算假設條件苛刻，參數單一，計算結果難以保證準確，更無法給出沖刷三維性態．所以，現階段橋樑設計一般僅以簡化發展趨勢為一維的沖刷深度為設計條件來進行基礎設計但是，沖刷並不是一個簡單的一維事件，它是一個隨時間不斷變化的實時複雜三維事件． 顯然，在橋樑設計中，不僅沖刷深度是關鍵設計參數，沖刷三維性態的發展趨勢，包括最深沖刷深度所對應的平面位置，更是與橋樑基礎結構力學性能、耐久性能息息相關的影響因素．近年來，國內外學者針對橋墩沖刷三維性態發展開展了一系列研究，但研究宙府愚章多以單圓柱( 墩) 沖刷為研究對象，因而研究成果不 能 完 全 應 用 於 實戰斷拜 際 橋 梁 基 礎 結 構 設計中 ．
本文針對以上問題，選用基於動格線自更新技術的三維 CFD 沖刷模型，對 3 種典型橋墩結構形式( 單柱墩、雙柱墩、排墩) 及橋墩沖刷三維性態發展進行數值跟蹤． 參照經典 B． W． Melville 實驗環，分別對 3 種典型橋墩周邊河床的沖刷深度、境沖刷坑形態、沖刷影響區域進行數值分析，得出各自的發展趨勢與性態特徵，通過對比結構形式對局部沖刷三維性態發展的影響，說明區分橋墩結構形式對沖刷分析的必要性與重要性．研究成果可對橋墩選型、沖刷監控方案設計以及更複雜的沖刷理論計算公式建立理論基礎及提供理論依據．
1三維CFD 沖刷模型
流場模型建立
本研究中三維CFD 沖刷模型將基於B．W．Melville 經典沖刷試驗，採用CFD 流體動力學有限元計算軟體Fluent(ANSYS)進行建模．B．W．Mel-ville 試驗水槽長19 m，寬45．6 cm，在水槽中放置直徑為5．08 cm 的圓柱作為橋墩模型，圓柱形橋墩中心距水槽兩側的距離為22．8 cm，床底泥沙平均粒徑d50為0．385 cm，水流平均速度為0．25 m /s，床面傾角坑影凳為1 /10 000 ．根據 Sarker的研究結論，圓柱下游 12 倍直徑距離以外流動不受圓柱的影響． 故本次研究為節省計算時間，基於 B． W． Melville 試驗數據，三維CFD 沖刷數值模型總長度選為 20d( d 為圓柱橋墩直徑，20d = 101． 6 cm) ，橋墩中心距下游出流距離為 14d，滿足大於 12d 的要求，橋墩中心距上游進口距離為 6d，計算寬度為 45． 6 cm，高度為 15 cm．雖然六面體結構化格線計算效率和計算精度均較高，但與四面體非結構化網斷估汽格相比，四面體的非結構化格線的適應性以及格線的變形能力均較．特別是對於局部沖刷，這種局部變形非常劇強烈，且變形不規則，採用六面體結構化格線很難適應變形的需要．故本研究採用四面體非結構化格線進行流場格線劃分，同時在橋墩附近以及流場底部加密格線以滿足橋墩附近及河床處複雜水流結構的計算要求．
由於是瞬態問題，必須提供流場的初始條件．此處主要是閥講謎指流場速度進口的初始條件，可通過選取與計算模型尺度相同的長方體模型來獲得，而流出邊界採用自由出流邊界條件 為了獲得速漏殼度分布，本研究選取與數值模棄應戒囑型尺度相同的長方體模型來獲得進口的速度分布．
2數值模型驗證
為驗證本研究建立的沖刷模型的準確性，將其流場、沖刷坑以及沖刷深度的計算結果與B．W．Melville 經典試驗結果進行對比．由於為單柱墩試驗，所以其準確性驗證僅針對單柱墩數值模型進行．
數值計算得到的30 min 橋墩局部沖刷坑形態， B．W．Melville 試驗中30 min 橋墩局部沖刷坑的地形等高線圖．可以看出，大部分區域數值計算地形等高線與試驗結果吻合．在B．W．Melville 試驗中，進行到約2．5 h 時達到沖刷平衡，此時平衡沖刷深度約為6 cm，其中試驗進行到30 min 時的沖刷深度為4 cm．由此可見沖刷前30 min 發展較為劇烈，沖刷發展也較為充分，而之後沖刷發展開始緩慢．由於計算機硬體限制，本次研究僅對前30 min 沖刷發展進行分析，計算得到的前30 min 最大沖刷深度為4．4 cm ．與B．W．Melville 試驗結果相比，同時考慮到泥沙輸運理論與實際泥沙輸運本身存在的一定差異性，可以認為本次沖刷數值模型對於局部沖刷深度的計算具備可信性．
綜上所述，無論從平面形態還是深度發展，無論從流場還是河床角度，本文建立的計算模型均可以準確地對橋墩周邊流場以及局部沖刷進行數值模擬，並得到正確的計算結果．
3橋墩結構形式影響分析
基於3 種橋墩以及流場的數值模型 ，利用準確性經過驗證的計算方法，進行橋墩結構形式對局部沖刷三維性態發展的影響研究．
3．1 沖刷深度對比分析
對於單柱墩沖刷模型，前30 min 的最大沖刷深度為4．4 cm，最大沖刷深度位置發生在橋墩側面偏迎水面方向位置．在整個模擬過程中，前5 min 橋墩局部沖刷發展最為劇烈，最大沖刷深度發展較快，在5 ～25 min 沖刷發展的速度較為一致，發展速度居中，25 min 以後沖刷開始減緩．事實上，局部沖刷的發展速度是由流場和泥沙2個因素變化共同控制的．在前期，由於最大切應力比臨界起動切應力數值大得多，因此前期沖刷發展很快．對於後期由於底部邊界的下切，流場運動的空間增大，必定會導致流動的減弱，對於泥沙攜帶能力的減弱，從而導致沖刷變緩．
對於雙柱墩沖刷模型． 可以看出雙柱墩條件下前後兩墩的沖刷深度存在明顯差別，後墩沖刷深度明顯比前墩要小很多，同時雙柱墩條件下不存在明顯的沙脊．但是在整個計算時間內，沖刷深度發展趨勢和單柱墩相似．
對比單柱墩，排墩沖刷深度沿水流方向垂直排墩向後發展不明顯，主要沿排墩側面發展．單柱墩、雙柱墩以及排墩的整體最大沖刷深度隨時間的變化．從沖刷深度來看，在同等流場環境(B．W．Melville 試驗環境)下，排墩的最大沖刷深度最大，雙柱墩次之，單柱墩的最大沖刷深度最小．雖然雙柱墩的前墩最大沖刷深度較單柱墩有所增加，但後墩的最大沖刷深度減小很多，這主要是由於前墩對水流的阻擋作用使後墩處水流強度減弱．三者均在沖刷初期發展相對較快，後期沖刷深度發展均存在減弱趨勢．
另外，從最大沖刷深度位置來看，雙柱墩條件下，整體最大沖刷深度位置仍與單柱墩相似; 而排墩最大沖刷深度發生在較排墩一側中心線偏後方向．
3．2 沖刷坑形態對比分析
由於沖刷坑為三維形態，為更精細地觀察，在沖刷坑內部進行截面切片橫向為沿水流流向X 方向，縱向為沿Y 方向，每隔0．25d 作截面切片．沿水流方向局部沖刷的影響範圍為距離排墩外側0．5d．排墩條件下，排墩迎水流正前方的局部沖刷發展並不明顯．綜上可以看出，3 種橋墩結構形式對沖刷三維形態發展有顯著影響．
3．3 沖刷影響範圍對比
基於3．2 節對沖刷形態的分析結果，可以分別得出3 種橋墩結構形式下，30 min 橋墩局部沖刷的影響區域 ．橋墩周圍的局部沖刷影響區域具有重要意義，它為以後局部沖刷前處理加密格線指出了方向以及加密的具體範圍，也為實際橋樑沖刷深度監測範圍提供了理論參考依據．可以看出，不同橋墩形式對局部沖刷影響區域的影響非常明顯，因此，必須針對不同橋墩形式分別進行考慮．
通過以上對比分析，可以看出橋墩結構形式對局部沖刷分析結果會產生顯著影響，不同的橋墩結構形式會導致沖刷性態三維發展相異，如簡一種橋墩形式的沖刷分析結論直接套用到其他橋墩形式上，會產生較大誤差，結果將明顯不可信．
4結論
1)從最大沖刷深度來看，排墩最大，雙柱墩次之，單柱墩最小; 從最大沖刷深度位置來看，雙柱墩整體最大沖刷深度位置與單柱墩相似，而排墩最大沖刷深度發生在排墩一側較排墩中心線偏後方向．
2)3 種橋墩結構形式無論對垂直還是平行於縱橋向的沖刷坑形態發展均有顯著影響．
3)3 種橋墩結構形式有著完全不同的局部沖刷影響區域．該區域為局部沖刷前處理加密格線指出了方向以及加密的具體範圍，也為實際橋樑沖刷深度監測範圍提供了理論參考依據，必須針對不同橋墩形式分別進行考慮．
本研究成果可對橋墩選型、沖刷監控方案設計以及更複雜的沖刷理論計算公式建立理論基礎及提供理論依據．但由於泥沙運動的不確定性，現階段泥沙輸運模型與實際仍存在差異，未來將探索隨機運動理論在沖刷計算中的套用，進而採用更加符合實際情況的泥沙輸運模型來提高沖刷數值計算的準確性．另外，將橋墩結構形式參數化，進而對橋墩設計參數進行更為系統的局部沖刷參數分析，以期得到更為普遍性的結論．同時河床物理參數對橋墩沖刷的影響研究也正在進行中，包括沖刷防護措施的設計理論．
1三維CFD 沖刷模型
流場模型建立
本研究中三維CFD 沖刷模型將基於B．W．Melville 經典沖刷試驗，採用CFD 流體動力學有限元計算軟體Fluent(ANSYS)進行建模．B．W．Mel-ville 試驗水槽長19 m，寬45．6 cm，在水槽中放置直徑為5．08 cm 的圓柱作為橋墩模型，圓柱形橋墩中心距水槽兩側的距離為22．8 cm，床底泥沙平均粒徑d50為0．385 cm，水流平均速度為0．25 m /s，床面傾角為1 /10 000 ．根據 Sarker的研究結論，圓柱下游 12 倍直徑距離以外流動不受圓柱的影響． 故本次研究為節省計算時間，基於 B． W． Melville 試驗數據，三維CFD 沖刷數值模型總長度選為 20d( d 為圓柱橋墩直徑，20d = 101． 6 cm) ，橋墩中心距下游出流距離為 14d，滿足大於 12d 的要求，橋墩中心距上游進口距離為 6d，計算寬度為 45． 6 cm，高度為 15 cm．雖然六面體結構化格線計算效率和計算精度均較高，但與四面體非結構化格線相比，四面體的非結構化格線的適應性以及格線的變形能力均較．特別是對於局部沖刷，這種局部變形非常劇強烈，且變形不規則，採用六面體結構化格線很難適應變形的需要．故本研究採用四面體非結構化格線進行流場格線劃分，同時在橋墩附近以及流場底部加密格線以滿足橋墩附近及河床處複雜水流結構的計算要求．
由於是瞬態問題，必須提供流場的初始條件．此處主要是指流場速度進口的初始條件，可通過選取與計算模型尺度相同的長方體模型來獲得，而流出邊界採用自由出流邊界條件 為了獲得速度分布，本研究選取與數值模型尺度相同的長方體模型來獲得進口的速度分布．
2數值模型驗證
為驗證本研究建立的沖刷模型的準確性，將其流場、沖刷坑以及沖刷深度的計算結果與B．W．Melville 經典試驗結果進行對比．由於為單柱墩試驗，所以其準確性驗證僅針對單柱墩數值模型進行．
數值計算得到的30 min 橋墩局部沖刷坑形態， B．W．Melville 試驗中30 min 橋墩局部沖刷坑的地形等高線圖．可以看出，大部分區域數值計算地形等高線與試驗結果吻合．在B．W．Melville 試驗中，進行到約2．5 h 時達到沖刷平衡，此時平衡沖刷深度約為6 cm，其中試驗進行到30 min 時的沖刷深度為4 cm．由此可見沖刷前30 min 發展較為劇烈，沖刷發展也較為充分，而之後沖刷發展開始緩慢．由於計算機硬體限制，本次研究僅對前30 min 沖刷發展進行分析，計算得到的前30 min 最大沖刷深度為4．4 cm ．與B．W．Melville 試驗結果相比，同時考慮到泥沙輸運理論與實際泥沙輸運本身存在的一定差異性，可以認為本次沖刷數值模型對於局部沖刷深度的計算具備可信性．
綜上所述，無論從平面形態還是深度發展，無論從流場還是河床角度，本文建立的計算模型均可以準確地對橋墩周邊流場以及局部沖刷進行數值模擬，並得到正確的計算結果．
3橋墩結構形式影響分析
基於3 種橋墩以及流場的數值模型 ，利用準確性經過驗證的計算方法，進行橋墩結構形式對局部沖刷三維性態發展的影響研究．
3．1 沖刷深度對比分析
對於單柱墩沖刷模型，前30 min 的最大沖刷深度為4．4 cm，最大沖刷深度位置發生在橋墩側面偏迎水面方向位置．在整個模擬過程中，前5 min 橋墩局部沖刷發展最為劇烈，最大沖刷深度發展較快，在5 ～25 min 沖刷發展的速度較為一致，發展速度居中，25 min 以後沖刷開始減緩．事實上，局部沖刷的發展速度是由流場和泥沙2個因素變化共同控制的．在前期，由於最大切應力比臨界起動切應力數值大得多，因此前期沖刷發展很快．對於後期由於底部邊界的下切，流場運動的空間增大，必定會導致流動的減弱，對於泥沙攜帶能力的減弱，從而導致沖刷變緩．
對於雙柱墩沖刷模型． 可以看出雙柱墩條件下前後兩墩的沖刷深度存在明顯差別，後墩沖刷深度明顯比前墩要小很多，同時雙柱墩條件下不存在明顯的沙脊．但是在整個計算時間內，沖刷深度發展趨勢和單柱墩相似．
對比單柱墩，排墩沖刷深度沿水流方向垂直排墩向後發展不明顯，主要沿排墩側面發展．單柱墩、雙柱墩以及排墩的整體最大沖刷深度隨時間的變化．從沖刷深度來看，在同等流場環境(B．W．Melville 試驗環境)下，排墩的最大沖刷深度最大，雙柱墩次之，單柱墩的最大沖刷深度最小．雖然雙柱墩的前墩最大沖刷深度較單柱墩有所增加，但後墩的最大沖刷深度減小很多，這主要是由於前墩對水流的阻擋作用使後墩處水流強度減弱．三者均在沖刷初期發展相對較快，後期沖刷深度發展均存在減弱趨勢．
另外，從最大沖刷深度位置來看，雙柱墩條件下，整體最大沖刷深度位置仍與單柱墩相似; 而排墩最大沖刷深度發生在較排墩一側中心線偏後方向．
3．2 沖刷坑形態對比分析
由於沖刷坑為三維形態，為更精細地觀察，在沖刷坑內部進行截面切片橫向為沿水流流向X 方向，縱向為沿Y 方向，每隔0．25d 作截面切片．沿水流方向局部沖刷的影響範圍為距離排墩外側0．5d．排墩條件下，排墩迎水流正前方的局部沖刷發展並不明顯．綜上可以看出，3 種橋墩結構形式對沖刷三維形態發展有顯著影響．
3．3 沖刷影響範圍對比
基於3．2 節對沖刷形態的分析結果，可以分別得出3 種橋墩結構形式下，30 min 橋墩局部沖刷的影響區域 ．橋墩周圍的局部沖刷影響區域具有重要意義，它為以後局部沖刷前處理加密格線指出了方向以及加密的具體範圍，也為實際橋樑沖刷深度監測範圍提供了理論參考依據．可以看出，不同橋墩形式對局部沖刷影響區域的影響非常明顯，因此，必須針對不同橋墩形式分別進行考慮．
通過以上對比分析，可以看出橋墩結構形式對局部沖刷分析結果會產生顯著影響，不同的橋墩結構形式會導致沖刷性態三維發展相異，如簡一種橋墩形式的沖刷分析結論直接套用到其他橋墩形式上，會產生較大誤差，結果將明顯不可信．
4結論
1)從最大沖刷深度來看，排墩最大，雙柱墩次之，單柱墩最小; 從最大沖刷深度位置來看，雙柱墩整體最大沖刷深度位置與單柱墩相似，而排墩最大沖刷深度發生在排墩一側較排墩中心線偏後方向．
2)3 種橋墩結構形式無論對垂直還是平行於縱橋向的沖刷坑形態發展均有顯著影響．
3)3 種橋墩結構形式有著完全不同的局部沖刷影響區域．該區域為局部沖刷前處理加密格線指出了方向以及加密的具體範圍，也為實際橋樑沖刷深度監測範圍提供了理論參考依據，必須針對不同橋墩形式分別進行考慮．
本研究成果可對橋墩選型、沖刷監控方案設計以及更複雜的沖刷理論計算公式建立理論基礎及提供理論依據．但由於泥沙運動的不確定性，現階段泥沙輸運模型與實際仍存在差異，未來將探索隨機運動理論在沖刷計算中的套用，進而採用更加符合實際情況的泥沙輸運模型來提高沖刷數值計算的準確性．另外，將橋墩結構形式參數化，進而對橋墩設計參數進行更為系統的局部沖刷參數分析，以期得到更為普遍性的結論．同時河床物理參數對橋墩沖刷的影響研究也正在進行中，包括沖刷防護措施的設計理論．
