跨河桥梁压缩冲刷数值模拟研究
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种 复杂 的水 流结 构 ，故在 计算 时需 要进 行 回流及 绕 流 边界 的合 理概 化 ，而这 一点 在 以往 的公式 计算 法 中未 曾考 虑 。
１３ 数 值 离散 方程 ．
１ ３ １ 水 流 方 程 的 离散 ．．
对 于式 （ ）及 式 （ ） １ ２ ，在 求解 时 对 每 一 时 间
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 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 ０ ５ｍ，验证 了模型的可靠性 。应用该模型对桥址河段 ， ． 和 ． 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
上 下游 水 流结构 的变化 。
１ 数值计算方程
１ １ 水 沙运 动基 本方 程 ．
早在 ２ 纪 ３ ０世 Ｏ年代 Ｓｒｕ ｔａ ｂ采 用 一 维 冲刷 原 理 对长 压 缩 段 内 的 冲 刷 问题 进 行 了研 究 ¨ ，随 后 ２ ］ Ｌ ｕｓｎ根 据长 压缩 段输 沙 平 衡 原理 ，导 出 了桥 梁 ａ ｒｅ 压缩 冲刷水 深 的计算 公式 ｌ ，至今仍 广 泛用 于桥 梁 ３ ］ 压缩 冲刷 的计算 ［ ］ ４ 。我 国 的 相关 研 究 也 很 多 ，最
（ Ｑ≥０的情 况为 例 ） 以
Ｓ’１一 （ ｔ １ Ｈ ｌ １ ｆ，１ ＡｉＳ ，＋ ｆ ， ＋ Ａａ Ｂ ¨ Ｓ＊什 ＋ ， ，
们 与流 量 、阻水 宽度 有关 ，需 要根 据试 验 确定 。当 回流边 界确 定后 ，由图 ２即可 计算 有效 过 流宽 度及
第 ５期
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 】 ］
又会对 断 面 冲淤产 生影 响 。因此 ，跨 河桥 梁压 缩 冲
数值 计算 方法 ，对 跨河 桥梁 压缩 冲刷 进行研 究 。
刷 不仅 应考 虑本 断 面收缩 造成 的影 响 ，还应 考 虑到 第３ 卷 源自 ５ ２ 第 期 ２０ １１年 ９月
文 章 编 号 ：１ ０ —６ ２ （０ １ ５０４ —７ ０ １４ ３ ２ １ ）０—０ ３０
中 国 铁 道 科 学
ＣＨＩ ＮＡ ＲＡＩ ＬＷ ＡＹ ＣＩ Ｓ ＥＮＣＥ
Ｖｏ ＿ ２ Ｎｏ ５ ｌ３ ．
Ｓ ｐ ｅ ｅ ， ２ １ ｅ ｔ ｍｂ ｒ ０１
图 ２给 出 了边界 概化示 意 图 ，定义 桥址 断 面一
侧 阻水 宽度 为 Ａ Ｂ，压缩 断 面宽度 为 Ｂ ，未 压缩 河 ｏ 宽 为 Ｂ，则 Ｂ。Ｂ 为河宽 压 缩 比。上 下 游 回流长 度 ／ 为Ｌ 和 Ｌ ，回流 宽 度 为 ｂ （ 随流 程 变 化 ） ，它
互独 立 ，第 ｌ 组悬 移质 泥沙 连续 方 程 的数 值 格 式 为
它等 于各悬 移 质粒 径组 的累 积 冲淤量 ，即
＋ 一
河 床 泥沙 及水 流来 沙 的粒径 通 常很 不均 匀 ，在
Ｅ ￣ ＝ Ｅ × ｚｏ ＝ ｌ ＝ Ｙ
（０ １）
冲淤演 变 过程 中起 着 重要作 用 ，在跨 河 桥梁 压缩 冲 刷 的计 算 中需 要加 以考虑 。本 文分 别对 水 流 中悬 沙 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
跨河 桥梁压缩冲刷数值模拟研究
４ ５
过 流 面积 。在跨 河桥 梁 断面 上游压 缩段 及 下游 扩散 段 范 围 内的计算 断 面 ，应 扣 除 回流 区的影 响 ，按有 效 过 流宽度 Ｂ 和 有效 过流 面积 Ａ 考 虑 。 。
态调 整 回流长 度 ，再对 回流 区 内有效 过流 宽度及 面 积进 行修 正 。
（） ３
河 床变 形方 程 ：
基金项 目：国家 自然科学基金资助项 目 （０ ７ ０ ８ ；铁道部科技研究开发计划项 目 （０ ７ ４ ） ５７８ １） ２ ０ Ｇ０ １
作 者简介 ：郭 辉 （ ９ ２ ） １８ 一 ，男 ，湖南常德人 ，博士研究生 。
４ ４
中
国
铁
道
科
学
第３ ２卷
式 中 ：Ｂ为 河 流 宽 度 ；ｈ ，Ａ，Ｑ 和 分 别 为 断 面
平均 水 深 、过流 断 面 面积 、流量 以及 平 均 流速 ；Ｒ
对 以上 分组 悬移 质含 沙量 进行 累加 ，得 到 总含
沙 量 Ｓ ＋ 。
１ ３ ３ 河床 变 形 方 程 的 离散 ．．
为水 力 半径 ；Ｙ为水 位 ；Ｙ ｏ为断 面平 均 河床 高程 ；
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 １０ ４ ） ０ ０ ４ 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
水 流运 动方 程 ：
应用 。但 由于桥 梁压缩 冲刷 的影响 因素 较复 杂 ，公 式计 算结 果存 在 一定程 度 的不 确定 性 ，而且 只能 反 映一 定 流量下 压缩 冲刷 的单 一值 ，因而对 压 缩 冲刷
的进 一 步研究 很有 必要 。
【Ｊ 【 ＋ 十 （） （） ＋ ＋ ） 筹十 筹十 ｇ 一 吉 。 ｇ ｕ
中 图 分 类 号 ：Ｕ４ ２ ３ ４．２ 文 献 标 识 码 ：Ａ
桥梁 等 跨 河 建 筑 物 的 水 下 结 构 可 局 部 阻 挡 过 流 ，压缩 过流 宽度 ，产 生水 流侧 向收 缩 ， 少 了 断 减 面宽度 和过水 面积 ，使水 流单宽 流量 增加 ，引起河 床 冲刷 ，即压缩 冲刷 。压缩 断面 上下 游 的水 流结构
差 分格 式 ：
△ 。 １＝ ｙ ＝ ＝
¨Ｈ
１ｓ － 一 ｓ （ ¨ 】 １］（ ） ） ９
由于 大多 数河 流泥 沙运 动 的形式 主要为悬 移 运 动 ，故 式 （）等 号左边 第 １ 未考 虑推 移质 运 动 。 ４ 项
１ ２ 泥 沙级 配变 化 的考虑 ．
△ 。 为第 ｉ ｙ ， 断面 在第 ＋１时段 总 的冲淤 量 ，
Ａ ＋ （ ，爰） ４ 去Ａ Ａ／ Ｒ）ｇ ＋ ／２ 。 ３ Ｉ
式 中 ：Ｍ 为计 算断 面 总数 ，Ｔ为计算 时段 总 数 。
１ ３ ２ 泥 沙 连 续 方 程 的 离散 ． ．
对 于式 （ ） ３ ，在 离 散 时计 入 非 恒 定 项 的影 响 。 将悬 移质 泥 沙 分 成 Ｎ 个 粒 径 组 ，各 组 泥 沙 运 动 相
步 采用 恒 定流 假设 ，采 用前 差 分格式 得 到 以下差 分
方程 ：
１ “ 一 ｎ ２二
ｉ一 １ ２， ， 一 １ ， … Ｍ ；Ｊ一 １ ２ … ， ， ， Ｔ
（） ６
Ｙ＝ ＋ ＝ ＝
： ＋ Ａ Ｒ３ ２ ／ 。４ …
图 １ 跨 河桥梁单侧压缩的流场模拟示 意图
Ｓ和 Ｓ 为 断 面 平 均 实 际 含 沙 量 和水 流 挟 沙 力 ；叫
为悬 移 质 断面平 均 沉 速 ；ｐ为 泥沙 干 密 度 ；ｇ为 重 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 。
联 立式 （）和 式 （ ） ３ ４ ，可 得 河 床 变 形 方 程 的
面也 会存 在 一定 回淤 ，另 外 ，压缩 段 之外 的河 段也
［ 叫．ｌｓ， 一 Ｓ １］ 口 ｆ （ ， １ ）
式 中 ：△ ＋为第 ｚ 泥沙对 应 的河床 冲 淤量 。 ｙ 组
２ 跨 河 桥 梁 压 缩 河 段 边 界 的概 化 处 理
跨河 桥梁 束 窄断 面上 下游 一定 范 围 内会 出现 绕
旦
ｄ ３２
＋旦
ｄ
＋Ｉ 一０ Ｄ ， Ｂ三
。
（ ４ ）
（） ５
Ｑ ， ５ ）Ａ ０， （
十
水 流挟 沙力 公式 ：
Ｓ 一 Ｓ （ ｈ， ， ）
△。Ｂ ｆ＋箬Ｑ ） ’ ， ，
ｌ一 １ ２ … ， ，， Ｎ （） ８
（） ２
泥 沙连 续方 程 ：
ｄ
ｚ
桥 梁压 缩 冲刷 表 象上 是 由于 断 面束 窄 引起 的 ， 实质 上是 束 窄边 界变化 引起 的水 、沙运动 问题 。因
收稿 日期 ：２ １— １１ ；修 订 日期 ：２ １－５２ ０ ０１—５ ０ Ｉ０ —１
＋
ｄ ￡
…
ａ ｏＳ Ｂ，（ Ｓ ）
１ １１ ， ｒ 、１ ｒ
７ ８ Ｂ ８
Ｌ
ｆ 空问步长 单位 ： ｍ）
／
生一
一
｛回 流 区 沩 界 线
——— ——
一 ｒ
｛ ｊ 自
ｊ
、
、
７ ３
７ ４
７ ７ ７ ５ ６ ７ ７ ８ ８ ４ ８ ８ ９ １ ３８ ５ ６
８ ７
Ｉ ＼ ＿
— — 一
（ 面号 ） 断
图 ２ 跨河桥梁压缩边界概化处理
图 ４ 桥址附近计算断 面沿程分布
上游回流影 响一般 比下游小 ，根据文献 ［ ６ １］ 的研 究 ，可 取 Ｌ 等 于 Ａ Ｂ。对 下 游 回流 长 度 Ｌ ， 目前 已有较 多研 究 成 果Ｅ¨。，一 般 可 根 据 断 面束 ３ 窄程度和水流流态等因素 ，取 Ｌ 一 （ ～ ４ Ａ ， ２ ） Ｂ 这 取 值 范 围已经 被大量 实 际工程 所证 实 。回流宽度
虑 ］ 。
流及 回流 ，使 断 面流 速重新 分 布 ，有效 过流 宽度 及 过 流面积 减 少 ，流量 向中间 区域集 中。 图 １给 出 了 跨 河桥 梁单 侧 压 缩 的 流场 模 拟 示 意 图Ｌ １ 。在 用 一 维模 型研 究 桥梁 压缩 冲刷 时 ，由于无法 直接 模拟 这
发 生变 化 ，在 一定 范 围内形 成 回流 区 。回流 区与 断
此 ，冲刷 的模 拟 受水 流运 动 、泥沙 运动及 河床 变形 的控 制 。韩其 为 、杨 国录 、吴伟 明、李义 天 等对河 床 冲淤 演变 的数值 模 拟进行 了深 入研 究 ，并建 立 了 各 自的 一维数 值计 算 模 型Ｅ 。本 文在 河 床 宽度 一 ¨
存在 冲 、淤 变化 ，所 以泥 沙 级配变 化 的模 拟需 要 同 时考 虑 冲和 淤 ２种 变 化 过 程 。本 文 采 用 文 献 ［２ １］ 的计 算方 法 ，考 虑 淤积 和 冲刷时悬 沙 级配 和床 沙级 配 的 变 化 ，并 在 计 算 挟 沙 力 时 按 分 组 挟 沙 力 考
从 水 沙运 动理 论 的角度 考虑 ，桥 梁压缩 冲刷 的
计 算模 型 由以下基 本方程 组 构成 ］ 。 水 流 连续 方程 ：
＋ ＝ ＝ ：０ （） １
具影响的压缩冲刷 （ｋ ｔ称一般冲刷）计算公式已纳
入 《 路工 程水 文勘 测设 计规 范 》和 《 铁 公路 工程 水 文勘 测设 计 规范 》 。 ，在工 程实 际 中得到 了广 泛 的 ［］ ６
１３ 数 值 离散 方程 ．
１ ３ １ 水 流 方 程 的 离散 ．．
对 于式 （ ）及 式 （ ） １ ２ ，在 求解 时 对 每 一 时 间
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 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 ０ ５ｍ，验证 了模型的可靠性 。应用该模型对桥址河段 ， ． 和 ． 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
上 下游 水 流结构 的变化 。
１ 数值计算方程
１ １ 水 沙运 动基 本方 程 ．
早在 ２ 纪 ３ ０世 Ｏ年代 Ｓｒｕ ｔａ ｂ采 用 一 维 冲刷 原 理 对长 压 缩 段 内 的 冲 刷 问题 进 行 了研 究 ¨ ，随 后 ２ ］ Ｌ ｕｓｎ根 据长 压缩 段输 沙 平 衡 原理 ，导 出 了桥 梁 ａ ｒｅ 压缩 冲刷水 深 的计算 公式 ｌ ，至今仍 广 泛用 于桥 梁 ３ ］ 压缩 冲刷 的计算 ［ ］ ４ 。我 国 的 相关 研 究 也 很 多 ，最
（ Ｑ≥０的情 况为 例 ） 以
Ｓ’１一 （ ｔ １ Ｈ ｌ １ ｆ，１ ＡｉＳ ，＋ ｆ ， ＋ Ａａ Ｂ ¨ Ｓ＊什 ＋ ， ，
们 与流 量 、阻水 宽度 有关 ，需 要根 据试 验 确定 。当 回流边 界确 定后 ，由图 ２即可 计算 有效 过 流宽 度及
第 ５期
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 】 ］
又会对 断 面 冲淤产 生影 响 。因此 ，跨 河桥 梁压 缩 冲
数值 计算 方法 ，对 跨河 桥梁 压缩 冲刷 进行研 究 。
刷 不仅 应考 虑本 断 面收缩 造成 的影 响 ，还应 考 虑到 第３ 卷 源自 ５ ２ 第 期 ２０ １１年 ９月
文 章 编 号 ：１ ０ —６ ２ （０ １ ５０４ —７ ０ １４ ３ ２ １ ）０—０ ３０
中 国 铁 道 科 学
ＣＨＩ ＮＡ ＲＡＩ ＬＷ ＡＹ ＣＩ Ｓ ＥＮＣＥ
Ｖｏ ＿ ２ Ｎｏ ５ ｌ３ ．
Ｓ ｐ ｅ ｅ ， ２ １ ｅ ｔ ｍｂ ｒ ０１
图 ２给 出 了边界 概化示 意 图 ，定义 桥址 断 面一
侧 阻水 宽度 为 Ａ Ｂ，压缩 断 面宽度 为 Ｂ ，未 压缩 河 ｏ 宽 为 Ｂ，则 Ｂ。Ｂ 为河宽 压 缩 比。上 下 游 回流长 度 ／ 为Ｌ 和 Ｌ ，回流 宽 度 为 ｂ （ 随流 程 变 化 ） ，它
互独 立 ，第 ｌ 组悬 移质 泥沙 连续 方 程 的数 值 格 式 为
它等 于各悬 移 质粒 径组 的累 积 冲淤量 ，即
＋ 一
河 床 泥沙 及水 流来 沙 的粒径 通 常很 不均 匀 ，在
Ｅ ￣ ＝ Ｅ × ｚｏ ＝ ｌ ＝ Ｙ
（０ １）
冲淤演 变 过程 中起 着 重要作 用 ，在跨 河 桥梁 压缩 冲 刷 的计 算 中需 要加 以考虑 。本 文分 别对 水 流 中悬 沙 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
跨河 桥梁压缩冲刷数值模拟研究
４ ５
过 流 面积 。在跨 河桥 梁 断面 上游压 缩段 及 下游 扩散 段 范 围 内的计算 断 面 ，应 扣 除 回流 区的影 响 ，按有 效 过 流宽度 Ｂ 和 有效 过流 面积 Ａ 考 虑 。 。
态调 整 回流长 度 ，再对 回流 区 内有效 过流 宽度及 面 积进 行修 正 。
（） ３
河 床变 形方 程 ：
基金项 目：国家 自然科学基金资助项 目 （０ ７ ０ ８ ；铁道部科技研究开发计划项 目 （０ ７ ４ ） ５７８ １） ２ ０ Ｇ０ １
作 者简介 ：郭 辉 （ ９ ２ ） １８ 一 ，男 ，湖南常德人 ，博士研究生 。
４ ４
中
国
铁
道
科
学
第３ ２卷
式 中 ：Ｂ为 河 流 宽 度 ；ｈ ，Ａ，Ｑ 和 分 别 为 断 面
平均 水 深 、过流 断 面 面积 、流量 以及 平 均 流速 ；Ｒ
对 以上 分组 悬移 质含 沙量 进行 累加 ，得 到 总含
沙 量 Ｓ ＋ 。
１ ３ ３ 河床 变 形 方 程 的 离散 ．．
为水 力 半径 ；Ｙ为水 位 ；Ｙ ｏ为断 面平 均 河床 高程 ；
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 １０ ４ ） ０ ０ ４ 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
水 流运 动方 程 ：
应用 。但 由于桥 梁压缩 冲刷 的影响 因素 较复 杂 ，公 式计 算结 果存 在 一定程 度 的不 确定 性 ，而且 只能 反 映一 定 流量下 压缩 冲刷 的单 一值 ，因而对 压 缩 冲刷
的进 一 步研究 很有 必要 。
【Ｊ 【 ＋ 十 （） （） ＋ ＋ ） 筹十 筹十 ｇ 一 吉 。 ｇ ｕ
中 图 分 类 号 ：Ｕ４ ２ ３ ４．２ 文 献 标 识 码 ：Ａ
桥梁 等 跨 河 建 筑 物 的 水 下 结 构 可 局 部 阻 挡 过 流 ，压缩 过流 宽度 ，产 生水 流侧 向收 缩 ， 少 了 断 减 面宽度 和过水 面积 ，使水 流单宽 流量 增加 ，引起河 床 冲刷 ，即压缩 冲刷 。压缩 断面 上下 游 的水 流结构
差 分格 式 ：
△ 。 １＝ ｙ ＝ ＝
¨Ｈ
１ｓ － 一 ｓ （ ¨ 】 １］（ ） ） ９
由于 大多 数河 流泥 沙运 动 的形式 主要为悬 移 运 动 ，故 式 （）等 号左边 第 １ 未考 虑推 移质 运 动 。 ４ 项
１ ２ 泥 沙级 配变 化 的考虑 ．
△ 。 为第 ｉ ｙ ， 断面 在第 ＋１时段 总 的冲淤 量 ，
Ａ ＋ （ ，爰） ４ 去Ａ Ａ／ Ｒ）ｇ ＋ ／２ 。 ３ Ｉ
式 中 ：Ｍ 为计 算断 面 总数 ，Ｔ为计算 时段 总 数 。
１ ３ ２ 泥 沙 连 续 方 程 的 离散 ． ．
对 于式 （ ） ３ ，在 离 散 时计 入 非 恒 定 项 的影 响 。 将悬 移质 泥 沙 分 成 Ｎ 个 粒 径 组 ，各 组 泥 沙 运 动 相
步 采用 恒 定流 假设 ，采 用前 差 分格式 得 到 以下差 分
方程 ：
１ “ 一 ｎ ２二
ｉ一 １ ２， ， 一 １ ， … Ｍ ；Ｊ一 １ ２ … ， ， ， Ｔ
（） ６
Ｙ＝ ＋ ＝ ＝
： ＋ Ａ Ｒ３ ２ ／ 。４ …
图 １ 跨 河桥梁单侧压缩的流场模拟示 意图
Ｓ和 Ｓ 为 断 面 平 均 实 际 含 沙 量 和水 流 挟 沙 力 ；叫
为悬 移 质 断面平 均 沉 速 ；ｐ为 泥沙 干 密 度 ；ｇ为 重 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 。
联 立式 （）和 式 （ ） ３ ４ ，可 得 河 床 变 形 方 程 的
面也 会存 在 一定 回淤 ，另 外 ，压缩 段 之外 的河 段也
［ 叫．ｌｓ， 一 Ｓ １］ 口 ｆ （ ， １ ）
式 中 ：△ ＋为第 ｚ 泥沙对 应 的河床 冲 淤量 。 ｙ 组
２ 跨 河 桥 梁 压 缩 河 段 边 界 的概 化 处 理
跨河 桥梁 束 窄断 面上 下游 一定 范 围 内会 出现 绕
旦
ｄ ３２
＋旦
ｄ
＋Ｉ 一０ Ｄ ， Ｂ三
。
（ ４ ）
（） ５
Ｑ ， ５ ）Ａ ０， （
十
水 流挟 沙力 公式 ：
Ｓ 一 Ｓ （ ｈ， ， ）
△。Ｂ ｆ＋箬Ｑ ） ’ ， ，
ｌ一 １ ２ … ， ，， Ｎ （） ８
（） ２
泥 沙连 续方 程 ：
ｄ
ｚ
桥 梁压 缩 冲刷 表 象上 是 由于 断 面束 窄 引起 的 ， 实质 上是 束 窄边 界变化 引起 的水 、沙运动 问题 。因
收稿 日期 ：２ １— １１ ；修 订 日期 ：２ １－５２ ０ ０１—５ ０ Ｉ０ —１
＋
ｄ ￡
…
ａ ｏＳ Ｂ，（ Ｓ ）
１ １１ ， ｒ 、１ ｒ
７ ８ Ｂ ８
Ｌ
ｆ 空问步长 单位 ： ｍ）
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生一
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｛回 流 区 沩 界 线
——— ——
一 ｒ
｛ ｊ 自
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、
、
７ ３
７ ４
７ ７ ７ ５ ６ ７ ７ ８ ８ ４ ８ ８ ９ １ ３８ ５ ６
８ ７
Ｉ ＼ ＿
— — 一
（ 面号 ） 断
图 ２ 跨河桥梁压缩边界概化处理
图 ４ 桥址附近计算断 面沿程分布
上游回流影 响一般 比下游小 ，根据文献 ［ ６ １］ 的研 究 ，可 取 Ｌ 等 于 Ａ Ｂ。对 下 游 回流 长 度 Ｌ ， 目前 已有较 多研 究 成 果Ｅ¨。，一 般 可 根 据 断 面束 ３ 窄程度和水流流态等因素 ，取 Ｌ 一 （ ～ ４ Ａ ， ２ ） Ｂ 这 取 值 范 围已经 被大量 实 际工程 所证 实 。回流宽度
虑 ］ 。
流及 回流 ，使 断 面流 速重新 分 布 ，有效 过流 宽度 及 过 流面积 减 少 ，流量 向中间 区域集 中。 图 １给 出 了 跨 河桥 梁单 侧 压 缩 的 流场 模 拟 示 意 图Ｌ １ 。在 用 一 维模 型研 究 桥梁 压缩 冲刷 时 ，由于无法 直接 模拟 这
发 生变 化 ，在 一定 范 围内形 成 回流 区 。回流 区与 断
此 ，冲刷 的模 拟 受水 流运 动 、泥沙 运动及 河床 变形 的控 制 。韩其 为 、杨 国录 、吴伟 明、李义 天 等对河 床 冲淤 演变 的数值 模 拟进行 了深 入研 究 ，并建 立 了 各 自的 一维数 值计 算 模 型Ｅ 。本 文在 河 床 宽度 一 ¨
存在 冲 、淤 变化 ，所 以泥 沙 级配变 化 的模 拟需 要 同 时考 虑 冲和 淤 ２种 变 化 过 程 。本 文 采 用 文 献 ［２ １］ 的计 算方 法 ，考 虑 淤积 和 冲刷时悬 沙 级配 和床 沙级 配 的 变 化 ，并 在 计 算 挟 沙 力 时 按 分 组 挟 沙 力 考
从 水 沙运 动理 论 的角度 考虑 ，桥 梁压缩 冲刷 的
计 算模 型 由以下基 本方程 组 构成 ］ 。 水 流 连续 方程 ：
＋ ＝ ＝ ：０ （） １
具影响的压缩冲刷 （ｋ ｔ称一般冲刷）计算公式已纳
入 《 路工 程水 文勘 测设 计规 范 》和 《 铁 公路 工程 水 文勘 测设 计 规范 》 。 ，在工 程实 际 中得到 了广 泛 的 ［］ ６