摘 要
随着我国涉河桥梁工程建设的不断发展与建设，桥梁工程逐渐成为河流两岸人员、物质和文化交流的重要载体。涉河桥梁的基础设施建设势必对桥梁附近河床阻力、河流河势、行洪能力及岸堤稳定产生诸多不利影响。因此预测和计算桥墩附近壅水规律和流场结构等水力特性，评估桥梁建设后对河势的改变趋势，具有积极的意义。
本文首先分析总结了前人对涉河桥梁上游壅水和下游河势影响等方面的研究成果，在此基础上以物理模型试验为基础开展弯道河流中涉河桥梁对水流水力特性的影响研究。分析相应的水力参数及变化规律，针对相关问题进行数值模拟。
主要研究内容和结论如下：
(1) 建立物理模型，对弯道河流桥墩附近水位壅高和流速变化特性进行了试验研究。基于试验结果计算了桥墩局部水头损失系数。基于边界层理论，通过动量方程与连续方程计算了绕流阻力系数。根据试验和计算得到的水力参数，通过水力学分析对目前应用较为广泛的 Yarnell 公式进行改进，获得了计算桥梁上游最大水位壅高的改进计算方法。
(2) 在试验基础上，应用Fluent 软件进行了数值模拟。根据数值模拟结果率定了 Yarnell 公式改进项中新引进的参数，使用改进后的计算公式计算桥梁上游最大水位壅高，模拟结果与试验结果吻合良好。分析桥墩周围流场结构，结果表明，正交布置桥墩使弯道水流流速分布趋于均匀化；此外，在桥墩绕流与弯道环流耦合作用下，不同水深处桥墩周围流场结构差异性较大。
(3) 根据试验和模拟结果，在桥河斜交时桥墩上游壅水高度随桥河斜交角度增加而逐渐降低，拟合出了壅水高度折减系数与斜交角度的线性关系式。分析不同斜交角度时弯道水流左右岸水位、桥墩下游水流流速及桥下水流偏转角度等指标，量化桥墩对水流偏导程度，结果显示，桥河斜交角度在 20°~25°时为最不利工况。
关键词 ： 弯道水流；物理模型；数值模拟；桥墩；壅水；流场。
Abstract
With the continuous development and construction of river related BridgeEngineering in China, bridge engineering has gradually become an important carrierof personnel, material and cultural exchanges between the two sides of the river. Theinfrastructure construction of river bridge is bound to have many adverse effects onthe resistance of riverbed near the bridge, river regime, flood carrying capacity andbank stability. Therefore, it is of positive significance to predict and calculate thebackwater law and flow field structure near the bridge pier, and evaluate the changetrend of river regime after the bridge construction.
This paper first analyzed and summarized the previous research results onupstream backwater and downstream river regime of river related bridges. On thisbasis, based on the physical model test, the influence of river related bridges on flowhydraulic characteristics in curved river was studied. Analysis of the correspondinghydraulic parameters and variation, numerical simulation for related problems. Themain research contents and conclusions are as follows:
（1）A physical model was established to research the characteristics ofbackwater level and velocity variation near the pier in curved river. Based on the testresults, the local head loss coefficient of the pier was calculated. The drag coefficientwas calculated by momentum equation, continuity equation and boundary layer theory.
According to the hydraulic parameters obtained from the test and calculation, throughthe derivation of the hydraulic formula, the Yarnell formula, which is widely used atpresent, was improved, and a new calculation method for calculating the maximumbackwater level in the upstream of the bridge was obtained.
（2）The numerical simulation was carried out on the basis of the experiment byusing FLUENT software. According to the numerical simulation results, the newlyintroduced parameters in the improved Yarnell formula was calibrated, and themaximum backwater level of the bridge upstream calculated by the improved formulawas in good agreement with the experimental results. The structure of flow fieldaround the piers is analyzed. The results show that the orthogonal arrangement ofpiers makes the flow velocity distribution in the bend uniform. At the same time, theflow field around the piers is quite different in different water depths under the coupling effect of the flow around the piers and the circulation in the bend.
（3）The backwater height of the upstream pier decreases with the increase of theskew angle of the bridge and river when the bridge and river cross obliquely.
According to the test and simulation results, the linear relationship between thereduction factor of backwater height and the skew angle was fitted. According to thestatistics of left and right bank water level, downstream flow velocity of bridge pierand deflection angle of water flow under bridge under different skew angles, thedeflection degree of bridge pier to water flow was quantified, and the skew angle ofbridge and river between 20 ° and 25 ° is the most unfavorable condition.
Keywords : bend flow; hydraulic physical model; numerical simulation; piers;backwater; flow field 。
第1章 绪论
1.1、研究背景及意义。
我国地处亚洲东部，太平洋西海岸，幅员辽阔，河流水系众多。人口、经济及陆路交通基础设施建设主要集中在东部、西南及东北部地区，这些地区主要气候类型为亚热带季风和温带季风性气候。受季风影响，降水时间分布不均匀，当季风来临时大规模降水时常导致洪涝灾害。河流作为水循环的重要部分，同时也是泄洪排涝的主要渠道。
河流孕育了生命，生命运用河流宝贵能量与物质资源创造了文明，同时河流也阻碍了河流两岸的人民交流，成为两岸人民互相往来的天堑。随着桥梁的诞生，天堑变通途，桥梁不仅是连接河流两岸的重要交通运输线路，同时更是承担着河流两岸物质、人员和文化互通的职能。随着我国经济建设的快速发展，陆路交通建设不断加快与完善，当交通运输线路跨越河流时，桥梁是常见的涉河建设内容[1]，经过改革开放40余年的不断发展建设，截止到2019年我国拥有公路大桥数量10.8万余座，同时还在不断快速增加之中。桥梁在满足连接两岸物质运输和人员流动的的同时，其建设对河流扰动也在影响着河流的度汛安全[2]。《中华人民共和国防洪法》第二十七条中规定，涉河项目建设应符合防洪标准、不得危害堤防安全、影响河势稳定、妨碍行洪畅通等相关内容，实际工程中桥梁对河流的防洪安全有着多方面的影响[3-4]，主要影响因素表现在以下几个方面：（1）桥墩建设压缩了河道的过流面积，桥墩绕流增加局部阻力，使河道过流能力减弱，同时壅高上游水位，造成河流水位超过原有的河堤高度，水流漫过河堤对两岸人民的生命财产造成损失。（2）桥墩绕流改变了河道原有的水流流态、流速分布等水力特性，下游河流原有河势发生改变。尤其当桥梁与河道以一定角度交汇时，水流受桥墩导流作用偏向河道一侧，往往造成下游水位不对称壅高，同时增加河堤水动力荷载和加大河堤底部河床冲刷深度，对河堤地基稳定不利，威胁堤防安全。（3）在泥沙因素方面，由于水力条件的改变，河床冲淤发生变化，对河床演变产生一定的影响。
在输调水工程中，除存在上述问题之外，渠道中布设的桥墩增加了输水渠道的局部水头损失，影响渠道输水能力，因此在规划设计时需考虑桥墩布设方式所产生的阻水效应。
综上所述，涉河桥梁规划与建设对河道防洪安全产生重要的影响，因此，研究桥梁阻水特性，进行桥墩绕流水动力学分析，准确预测计算桥墩上游水位壅高度，以及建桥后河势变化趋势是人们需要解决的重要问题。
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1.2、 国内外研究现.
1.2.1、桥墩阻水特性.
1.2.2、桥墩绕流流场.
1.3、研究方法.
1.4、研究内容和技术路线.
1.4.1、 研究内容.
1.4.2、技术路线.
第2章 物理模型试验设计.
2.1、模型系统设计.
2.2、桥河正交时试验设计.
2.2.1、桥墩布置.
2.2.2、测量系统.
2.2.3、试验工况.
2.3、桥河斜交时试验设计.
2.3.1、桥墩布置形式
2.3.2、测量系统.
2.3.3、试验工况.
2.4、本章小结.
第3章 试验结果分析.
3.1、桥河正交时试验结果分析.
3.1.1、水位分析.
3.1.2、流场分析.
3.2、桥河斜交时试验结果分.
3.2.1、水位分析.
3.2.2、流场分析
3.3、本章小结.
第4章 数值模拟.
4.1、数值方法.
4.1.1、计算域.
4.1.2、网格划分.
4.1.3、边界条件.
4.1.4、模型验证.
4.1.5、模拟工况背.
4.2、桥河正交模拟结果分析.
4.2.1、水位分析.
4.2.2、流场分析
4.3、桥河斜交模拟结果分析.
4.3.1、水位分析
4.3.2、桥下水流偏转角度.
4.4、本章小结.
结 论
本文针对涉河桥梁对弯道水流水力特性的影响，对正价和斜交两种不同布置形式桥梁开展了物理模型试验研究，基于试验结果，结合相关的水力学分析与推导，对弯道河流桥墩绕流问题进行了三维数值模拟。主要结论如下：
（1）在桥河正交时，弯道水流桥墩上游水位变化主要由两部分组成：一是桥墩自身的阻水效应壅高上游水位，该部分主要与水流强度弗劳德数Fr有关，弗劳德数Fr越大阻水效应越明显，水位壅高越高。二是水流受桥墩阻力作用流速降低，弯道水流横向水位比降降低，水面线重新分布。在桥河斜交时，桥墩上游壅水高度与斜交角度呈负相关关系。
（2）通过引入修正项改进了弯道水流中桥墩上游最大水位壅高计算公式，改进后的计算公式在计算弯道水流中桥梁上游最大水位壅高值时具有良好适用性。通过添加折减系数使改进后的计算公式适用于桥河斜交时上游最大水位壅高的计算。
（3）在桥河正交时，桥墩绕流作用使弯道内水流流速分布均匀化，主流位置发生变化。双排桥墩与单排桥墩相比，桥墩绕流形态较为接近，但局部水头损失系数和绕流阻力系数明显增加。
（4）在桥河斜交时，弯道水流的主流轴线受偏导作用，快速偏移到凹岸一侧，主流轴线在桥墩处发生明显扭曲变化。桥下水流偏角受弯道环流影响，表面水流偏角增大，渠底水流偏角减小，且偏转角度随斜交角度的增加而先增加后减小，最大偏转角度出现在斜交角为25°时。
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