桥墩洪水冲击动力响应及流场特性研究

【摘要】

   针对洪泛区桥梁在施工期间面临的洪水冲击安全问题,以非洲坦桑尼亚扬渥尼大桥项目为背景,通过midas NFX 建立桥墩流固耦合有限元模型,研究桥墩在洪水冲击下的动力响应, 分析在复杂水流荷载作用下桥墩的振动、位移及稳定性变化,并探讨桥墩周围流场分布、流速变化及涡旋演化规律。结果表明： 桥墩阻力和横向力随水位升高与流速加快而明显增大,当流速从1m/s 提升至7m/s 时， 横向力增加至静水时的49.33 倍,且增长趋势呈非线性； 洪水冲击过程可分为瞬时冲击、衰减和稳定绕流三个阶段， 瞬时冲击阶段墩顶位移最大约13.9mm， 且因水流受前方桥墩阻挡形成“遮蔽效应”,迎流侧桥墩受力显著大于后方桥墩； 稳定绕流阶段模拟结果与规范值基本一致,应加强水位与流速的实时监测,采取有效防护措施,以提升施工期桥梁的安全性与稳定性。

［关键词］ 

洪泛区； 桥墩施工； 洪水冲击； 动力响应； 流固耦合

0 引言

   近年来，极端气候频发，桥梁受洪水冲击发生损毁的事故时有发生， 大多源于桥墩基础周围局部冲刷。冲刷作用会掏空桥墩周围土体，破坏基础强度，引发桥墩失稳，但由于冲刷作用在水下不易被察觉， 且施工阶段的桥梁通常还未形成整桥抗力，水毁灾变风险更大，因此研究桥墩水动力安全十分必要。

   在桥墩洪水冲刷的流固耦合研究中，Naudascher等[1]基于理论分析与水槽试验，对明渠水流中部分淹没桥梁的动水力特性展开了深入研究，系统分析并预测桥梁在不同淹没条件下的动力系数。杨万理等[2]通过分析不同淹没深度条件下水流作用于桥墩的升力与阻力变化规律， 揭示了垂直于水流方向的升力是诱发桥墩振动的核心因素。何向阳等[3]应用MIKE 21 二维水动力模型，对新扬高速淮河特大桥非正交跨河段的桥墩布置方案进行分析，从河道雍水、流态、流速变化等方面分析不同桥墩布置方案对淮河汉道行洪的影响。吴春利等[4]发现横向排列的桥墩阻力系数更大，当间距直径比小于5 时， 其阻力系数值超出了规范限值。Almasri 等[5]通过构建桥墩周围水流运动模型，发现了桥墩形状与水流入射角度对阻力系数的影响。高坡等[6]针对南水北调中线工程某段桥墩因卡门涡街导致水流阻力增大等问题， 采用FLUENT 数值模拟方法，研究发现随着r 增大，墩尾绕流趋于简单，流速波动减小，流线弯曲程度降低，涡脱落现象减弱，升阻力系数下降，当r=9d 时，桥墩对渠道过流能力的影响最小。叶玉康等[7] 采用基于FLUENT 软件对串列双圆柱桥墩绕流进行了数值模拟， 指出航道边线与桥墩边壁之间的横向安全距离至少应为1.5 倍墩径。

   综上所述，桥墩结构的动力学研究目前主要集中在成桥阶段的洪水冲击与动力分布规律，而洪水本身对桥墩的瞬态冲击效应，尤其是其动力放大效应及流固耦合作用的研究则相对较少。本文以坦桑尼亚扬渥尼大桥为工程实际背景， 采用midas NFX 软件建立坦桑尼亚扬渥尼大桥施工期桥墩流固耦合数值模型， 研究桥墩周围流场的流线分布以及水流作用力随时间变化，分析不同淹没深度和水流速度对桥墩受力特性的影响，探讨桥墩周围流场分布、流速变化及涡旋演化规律，为桥梁在相似施工条件下的结构设计与安全控制提供理论依据和技术参考。

1 工程概况

   扬渥尼大桥位于坦桑尼亚经济首都达累斯萨拉姆市， 地处洪泛区莫罗哥罗路段，大桥总长388.8m， 由13 跨高架桥替换组成现有桥梁,如图1~2 所示。

  桥墩采用钻孔灌注桩基础,桩径为1.0m，桩长根据地质条件变化，承台尺寸为6.8m×6.8m×2.5m，承台顶面埋置于河床线以下。桩基混凝土强度等级为C40，钢筋保护层厚度为70mm。扬渥尼大桥横跨姆辛巴济河段， 属于热带沿海洪积平原，常年湿热多雨，洪水频发。同时，受上游强降雨形成的径流与下游海洋潮汐的双重影响，洪水响应机制复杂。根据项目水文勘测资料，极端洪水时，洪峰可激增至1120m³/s，最大流速可达7m/s，洪峰涨落历时约72h，反映出该流域对极端降水的敏感响应和潜在高风险性。研究区域降水显著缩短了有效施工窗口期， 周期性洪水不断改变河道形态， 迫使桥梁设计方案需根据实际水文条件动态调整。岸坡区域分布稳定性较差的软土层，下部发育岩溶地质条件，浅层与深层风险并存，增加了支护施工与桩基作业难度，多种风险叠加形成连锁放大效应，加剧了施工的不确定性。

2 洪水冲击墩身双向流固耦合计算方法

   洪水冲击桥墩是典型双向流固耦合问题，本质是水流与桥墩结构的相互作用，洪水流经桥墩时施加动力荷载，导致桥墩振动变形，桥墩状态改变又会干扰周围流场流动特性。在桥梁结构动力分析中，通常基于质量矩阵与刚度矩阵建立结构振动控制方程，并通过数值方法求解其动力特性。

    对桥墩进行离散化建模，动力学行为由瞬态动力学控制方程描述，以捕捉其在时域内的振动与变形响应，瞬态动力学控制方程为：

式中：[M]、[C]、[K]为结构的质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵；

｛u｝、、为节点总位移、速度、加速度列阵；｛P(t)｝为来自流体方面的作用力。

   方程各项从左到右按顺序分别为瞬态项、对流项、扩散项和源项，对于流体介质的通用形式控制方程为：

式中，t 为时间；ρ 为流体密度；为流场欧拉坐标（j=1，2，3 对应3 个不同方向坐标）；为流体速度（j=1，2，3 对应3 个不同坐标方向的流体速度）；为相应于φ 的广义扩散系数；为能量源项；φ 为广义变量，如表示连续方程时取1，代表动量方程时取速度量。

   对于流体部分， 通过Navier-Stokes 方程对流体进行控制， 并考虑不可压缩粘性流体的动量守恒和连续性条件。对于高雷诺数流动（Re>105），其湍流效应显著， 因此需采用k-ε 湍流模型准确模拟涡旋的产生和发展。

3 墩-水流固耦合有限元模型

3.1 模型的建立

   采用midas NFX 建立桥墩与水流相互作用的流固耦合模型，如图3所示。

   桥墩结构采用六面体单元进行精细化模拟,水域区域采用结构化网格进行离散。针对桥墩结构设置了底部固结、上端自由的约束条件,对于流体域,入口边界定义为水流速度,出口边界设置为静压条件,两侧边界采用对称约束，同时在底面、顶部及墩身表面均设置无滑移壁面条件。当结构物的物理尺寸小于其周围流体域尺寸的五分之一时,采用一个尺寸有限的流体域进行计算， 所得结果与理论上无限大的流体域中计算得到的结果高度吻合,两者之间的相对误差可以控制在1%以内。

   假定计算域呈矩形截面,选取迎水面B-C 跨的桥墩,桥墩截面直径D=1.8m,墩高H=5.65m,外部流域平面尺寸为60m×82m,取前流区15D、两侧流区20D 及尾流区30D,材料及流域参数见表1。

   在洪水冲击条件下,动水对施工期桥墩的作用力主要表现为惯性力和阻尼力,并产生流固耦合效应,其会对尚未形成完整结构体系的桥梁造成瞬间冲击作用,影响到施工阶段的稳定性与安全性。为分析不同水文条件下桥墩受力的影响,选取淹没深度h 与水流速度u 作为变量对桥墩的阻力Fc 及横向力Fk 进行研究,如图4 所示。

   研究设置了2 种典型工况：①在固定洪水流速（u=7m/s）条件下，研究3 种不同水位对桥墩受力的影响；②在固定洪水淹没高度（h=5.647m）的前提下，对比分析静水状态与不同水流速工况下桥墩的受力响应，不同工况计算结果如表2 所示。

4 淹没深度与流速对桥 受力特性影响

4.1 淹没深度对桥墩受力特性影响

   不同淹没深度下， 桥墩阻力与横向力变化如图5所示

    在水流作用下，桥墩阻力Fc 与横向力Fk均随水深增加而增大， 当水深从自然水位h=2.823m 上升至正常降水淹没高度h=4.235m 时，Fc最大值增加43.6%，Fk最大值增加38.5%； 若水位进一步上升至极端洪水淹没高度h=5.647m，Fc 最大值增加118.3%，Fk最大值则增加115.0%。水深是影响施工期结构动力响应的关键因素， 在水体环境下进行桥梁施工时， 必须考虑降水量及水位变化，并依据实际水文条件设计应对措施，从而有效控制结构动力响应，确保施工过程的安全可靠。

4.2 流速对桥墩受力特性影响

   在不同流速作用下， 桥墩阻力Fc 与横向力Fk变化如图6 所示

   桥墩阻力Fc与横向力Fk均呈现随流速增大而显著增长的趋势，其中横向力的增幅更大。当流速为u=4m/s 时，最大值相较于静水流速u=1m/s 时，横向力增加至静水时的23.65 倍；当流速升高至u=7m/s 时， 横向力增加至静水时的49.33 倍。这一变化趋势反映出桥墩阻力、横向力与水流速度之间呈现明显的非线性增长特征，在影响桥墩受力的环境因素中， 水流速度的作用比水深更为显著。在桥梁施工阶段，由于现场水流通常较平缓、流速较小，水深成为结构动力响应的主要控制因素，一旦遭遇极端洪水事件，高速水流将引起桥墩受力急剧增大,尤其是横向力可能呈现数十倍的增长,对结构安全构成严重威胁，必须重点防范极端洪水对桥墩结构的冲击影响。

5 墩顶位移及桥墩周围流场变化规律

5.1 墩顶位移变化规律

   洪水对桥墩的冲击作用演化过程呈现出瞬时冲击阶段、衰减阶段与稳定绕流阶段。选取洪水流速7m/s、淹没高度5.647m 工况下的桥墩冲击力分布及墩顶位移云图进行说明，如图7~8 所示。

（1）瞬时冲击阶段：从初始时刻开始，洪水与桥墩迎水面发生剧烈碰撞，持续时间极短。墩顶位移迅速增大， 在A点处达到峰值， 最大位移约13.925mm。

（2）衰减振荡阶段：从A点到B 点，墩顶位移呈现震荡收敛趋势， 桥墩应力呈周期性波动并逐渐下降，表现为振幅逐步衰减的谐波振荡形式。

（3）稳定绕流阶段：B 点之后，桥墩周围流场发展充分，墩顶位移趋于稳定，曲线波动趋近于某一非零定值。该阶段的稳定应力是施工期桥墩长期承载的关键控制指标， 现行桥梁设计规范中的洪水荷载计算多基于稳定绕流状态推导， 未充分考虑前期冲击效应的残余影响， 因此在施工期中需特别关注洪水冲击阶段的应力变化。

5.2 桥墩周围流场变化规律

   在极端降水状态下，桥墩z=3m、洪水淹没高度为5.647m、流速为7m/s 时，桥墩阻力Fc与横向力Fk的时程变化曲线见图9

   选取t=0.1s 及1s 两个关键瞬时的流场状态进行对比分析。由图9可知，t=0.1s 时， 洪水与桥墩迎水面瞬间接触，此时桥墩阻力达到31.042kN，由于水流方向与墩柱法向相交， 桥墩横向力较小， 约16.601kN，桥墩迎流侧所受水流冲击力远大于其横向力。由图10可知流场表现出非稳态特性。

由图11 可知

   当流场发展至t=1s 时，桥墩结构布置如图4 所示， 水流因桥墩桩柱阻拦作用向两侧分离，桥墩阻力Fc 与横向力Fk 均达到稳定状态（见图9），此时流场整体趋于稳定，流速分布除墩侧高速区外均匀，波动幅度小于5%。因此，流固耦合效应通过流体与固体间的动态相互作用机制，对桥梁结构的动力特性、稳定性及安全性产生显著影响，可改变桥梁自振频率、诱发涡激振动，甚至引发结构疲劳破坏， 需在桥梁设计与运维阶段重点考量。

6 洪水冲刷对桥墩稳定性的影响分析

6.1 桥墩阻力计算结果对比

   为验证本文所建立流固耦合有限元模型的可靠性， 采用《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2015）[8]及《铁路桥涵设计规范》（TB 10002-2017）[9]中的经验公式， 对桥墩在最大淹没深度h=5.647m工况下， 不同流速桥墩所受稳定绕流阶段桥墩阻力进行对比，结果如图12所示

依据规范，桥墩阻力可按式（3）计算：

式中：Cd 为阻力系数，公路规范取为0.8，铁路规范取0.78；ρ 为水的密度， 取1000kg/m³；u 为水流速度；A 为桥墩迎水面积。

   由图12 可知，在稳定绕流阶段，桥墩阻力与规范理论值误差较小，在工程可接受范围内，表明流固耦合模型能较好地模拟洪水冲击下桥墩阻力，具有较高的计算精度与工程适用性。在瞬时冲击阶段， 数值模拟所得桥墩阻力峰值显著高于规范理论值， 说明规范公式未充分反映洪水初始冲击的动力放大效应， 突显了在施工期洪水动力响应分析中考虑瞬态冲击过程的必要性。

6.2 工程防范措施

   基于洪水瞬态冲击特征， 桥墩主体施工应优先安排在枯水期（11 月至翌年4 月），该时段流速通常不超过1.5m/s；若雨季施工，须严格控制单次水下作业时长， 确保在洪水预警响应时间（≥6h）内可完成撤离。针对直接承受瞬时冲击的迎流侧A、C 桥墩，采用双层格宾网（覆盖常水位至极端洪水位区间）与墩身碳纤维布（CFRP）包裹相结合的双重防护， 以消减动水冲击并提升混凝土抗冲蚀能力。

   基础抗冲刷方面， 墩周抛填粒径不小于300mm 块石形成护脚层， 或现浇钢筋混凝土防冲板；两岸软弱岸坡采用水泥搅拌桩（桩径0.5m，桩间距1.2m）加固，防止岸坡淘刷坍塌导致桥墩裸 露失稳。

   建立基于流速的三级应急响应：一级（u≥6m/s）立即停止水上及岸坡作业，人员设备撤离至+7m安全高程；二级（3m/s<u<6m/s）暂停水下作业，抽排

基坑积水并加固支护；三级（u≤3m/s）加强监测并限制高风险工序。通过施工窗口优化、重点桥墩防护与分级响应的衔接， 可有效控制施工期洪水冲击风险。

7 结论

（1） 桥墩阻力与横向力随淹没深度与水流速度的增加而增大，且增长趋势呈现明显的非线性特征。当水深从2.823m 增至5.647m 时，桥墩阻力最大值增加118.3%， 横向力最大值增加115.0%，当流速从1m/s 提升至7m/s 时，横向力增加至静水时的49.33 倍。在极端洪水条件下，流速是影响桥墩受力的主导因素， 尤其在横向响应方面具有强烈的动力放大效应。

（2）在洪水冲击下，桥墩的动力响应过程可分为瞬时冲击、衰减、稳定绕流三个阶段。初始时刻为瞬时冲击阶段，墩顶位移迅速达到峰值约为13.9mm，在衰减阶段位移与应力呈振荡衰减，最终发展为稳定绕流阶段，流场与受力趋于平稳。洪水冲击不仅具有静力效应，还包含不可忽视的瞬态动力冲击， 对施工期桥墩的稳定性构成阶段性威胁。

（3）桥墩不同位置受力存在显著差异，迎流侧桥墩（A、C）直接承受水流冲击，桥墩阻力较大，背流侧桥墩（B、D）受前方桥墩“遮蔽效应”影响，前方

形成回流区，局部流场环境改变，桥墩所受的阻力显著小于迎流侧桥墩。

（4）基于上述机理，建议施工期重点关注迎流侧桥墩的瞬态冲击防护。

参考文献：

[1]Naudascher E，Medlarz J H.Hydrodynamic Loading and Backwater Effect of Partially Submerged Bridges [J].Journal of Hydraulic Research，2010，21（3）.

[2]杨万理，吴承伟，朱权龙，等.桥梁墩柱三维绕流特性精细化研究[J].西南交通大学学报，2020，55（1）：134-143.

[3]何向阳，费晓磊.基于MIKE 水动力模型的淮河特大桥分离新建桥墩布置方案研究[J].吉林水利，2025（1）：7-12.

[4]吴春利，黄诗茗，李魁，等.基于数值仿真和统计分析的洪水作用下桥墩作用效应分析[J].吉林大学学报（工学版），2023，53（6）：1612-1620.

[5]Almasri A，Moqbel S.Numerical Evaluation of AASHTO Drag Force Coefficients of Water Flow Around Bridge Piers [J].Journal of Engineering Materials and Technology,2017.139(2)

[6]高坡.桥墩体型优化数值模拟[J].吉林水利，2024（2）：42-47.

[7]叶玉康，刘晓平，李安斌.串列双圆柱桥墩周围流场特性研究[J].人民 珠江，2019，40（10）.

[8]中华人民共和国交通运输部．公路桥涵设计通用规范（JTGD60-2015）[S]．北京：人民交通出版社股份有限公司，2015．

[9]国家铁路局.铁路桥涵设计规范（TB10002—2017）[S]．北京：中国铁道出版社，2017．

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