摘 要:
过水桥梁的基桩外露已成为影响桥梁安全性的重要因素，携沙水流会对外露部分的基桩产生 冲蚀作用，加速混凝土的破坏，累积到一定程度，会导致桥梁安全性降低，影响桥梁交通的正常运营。为研究携沙水流对基桩的冲蚀磨损规律及其影响因素，利用 ANSYS-Workbench 建立三维模型， 在 FLUENT 的工作环境下，模拟水沙两相流的流动特性，并求解得出基桩最大冲蚀磨损速率。通过数值模拟，研究了携沙水流的流场特性，并得出了在不同流速、含沙量及粒径下的冲蚀磨损规律。结果表明: 流速、含沙量及粒径都对最大冲蚀率有较大影响，其中，最大冲蚀率随流速的增加而增大，并呈现出明显的指数关系; 含沙量与最大冲蚀率呈现出正相关关系; 最大冲蚀率随粒径的增大呈现出先减少后趋于稳定的趋势。研究成果可以为后续基桩冲蚀磨损预测的工程应用提供相关依据。
关键词:
桥梁安全; 基桩; 含沙水流; 冲蚀磨损; FLUENT
基金项目:
国家自然科学基金项目( 51874189，51709161) ;
山东省自然科学基金( ZＲ2017MEE043，ZＲ2019PEE044) ;
山东省研究生教育创新计划项目( SDYY15086，SDYY15088)
作者简介:
马晓东( 1992—) ，男，硕士研究生，主要从事桥梁与隧道工程方面的研究。E-mail: 1220964798@ qq. com
引用：
马晓东，张惠尧，张宪堂，等． 桥梁基桩在含沙水流冲击作用下的冲蚀磨损数值模拟研究［J］. 水利水电技术( 中英文) ，2021， 52( 3) : 76-82.
MA Xiaodong，ZHANG Huiyao，ZHANG Xiantang，et al． Numerical simulation study on erosion and wear of bridge pile foundation under the impact of sandy water flow［J］. Water Ｒesources and Hydropower Engineering，2021，52( 3) : 76-82.
0 引 言
桥梁基桩是保证桥梁安全运行的重要组成部分， 但是由于水流局部冲刷、采砂等其他因素，基桩外露已成为危害桥梁安全的一个重要原因，如图 1 所示
基桩外露于土体或者岩体，不但会使基桩承载能力降低，还会导致混凝土更易受外界复杂环境影响， 在与水流冲刷磨蚀的共同作用下，使得桩周混凝土剥落，致使钢筋外露，降低结构安全性及耐久性。基桩的冲蚀破坏已成为影响桥梁结构耐久性的重要因素。含沙水流对基桩的冲蚀是一个涉及流固耦合作用的复杂过程。冲蚀作用，也即侵蚀作用，就是指流体介质携带固体颗粒以一定的速度和角度冲击材料，造成材料的损伤破坏。对于桥梁结构工程， 在敏感性分析和破坏分析方面，都有了较为完善的发展。桥梁的冲蚀磨损问题，累积到一定程度会导致桥梁安全性降低，从而影响整个桥梁运营系统安全。但是冲蚀磨损是一种较为复杂的物理现象，开展在水沙两相流动条件下对基桩的冲蚀磨损计算，研究并掌握其冲蚀磨损规律，在学术研究和工程应用方面都有较高价值。
目前，基于计算流体动力学( CFD) 的磨损预测研 究已经取得一定进展，并在机械制造、石油化工等领域逐渐得到应用。但在水工混凝土方面，携沙水流对桥梁墩柱的冲蚀磨损研究还较少。BAKEＲ 等将水沙磨蚀的原因，归结为颗粒的冲击，滑动和滚动作用。GOODWIN 等通过试验研究认为，材料产生磨蚀的重要原因是当固体颗粒以较大冲角冲击材料表面时，一方面使材料产生塑性变形，另一方面，颗粒可能因冲击而破碎，尖锐的碎块将使材料的薄弱部分剥离。刘琦等采用数值模拟方法对弯管内部的流场进行计算分析，得出 SST k－ω 湍流模型结合 Oka 磨损模型可以较为准确地计算弯管处的冲蚀磨损速率; 苏佳慧等以 90 度弯管冲蚀磨损测试为基础，对 4 种常用磨损模型对比分析发现， Oka 模型的计算结果在量级上与实验最为接近，MCLAUＲY 模型的计算结果在趋势上与实验最为接近。余志祥等研究了墩柱外形和抗磨蚀能力的关系，选用 FINNIE 冲蚀模型，得出了磨蚀面积和磨蚀厚度随各种因素的变化规律; 王勇等研究了改变液固两相流中颗粒参数对旋流器壁面冲蚀磨损特性的影响规律，得出了不同条件对壁面冲蚀磨损率的影响。王前等运 用 FLUENT 软件对桥梁承台和桩进行冲蚀模拟分析，得出了不同因素影响作用下的冲蚀分布规律。现阶段，针对水工混凝土冲蚀磨损问题的研究主要集中在含沙水流对混 凝土的冲蚀磨损规律上，探究其影响因素 及方式。本文在前人研究的基础上，探究不同工况下，冲蚀磨损的变化规律，以用于水工混凝土冲蚀破坏的预测分析。 本文将混凝土基桩作为冲蚀靶材，运用 FLUENT 软件，进行网格无关性分析来确定最佳网格数目，选用 Finnie 冲蚀模型来计算最大冲蚀率，同时分析研究了水流流速、泥沙颗粒直径和含沙量对基桩的冲刷磨蚀的影响。
1 冲蚀磨损的数值模拟1. 1 基本假定
( 1) 不考虑基桩上方承台的影响，只对单圆柱基桩进行数值模拟。
( 2) 基桩结构均匀，各方向特性参数一致。
( 3) 固液两相介质的物理参数随空间位置、温度等因素的变化忽略不计。
( 4) 固液两相在入口处混合均匀。
1. 2 多相流模型与磨蚀预测模型
水的运动是恒温下不可压缩体的连续运动，沙颗粒作为离散相，由水体裹挟运动，由于水中的沙颗粒体积含量小于 10%，利用软件进行模拟时，可采用 DPM 离散相模型。计算时采用非定常流计算，以稳态的计算结果作为瞬态计算的初始化数据，当流场达到稳定状态时，注入沙颗粒，当基桩表面的磨蚀作用趋于稳定后，把冲蚀速率作为研究冲蚀磨损的依据。 冲蚀速率定义为壁面材料在单位时间单位面积上损失的质量，通过计算每一个沙粒对壁面的累计损伤来计算冲蚀速率。在数值模拟软件 FLUENT 中，默认的磨损率公式为
1. 3 模型参数及边界条件
单圆柱基桩的计算模型如下图所示，圆柱形基桩直径 D= 1 m，单圆柱基桩计算域三维模型示意图如图 2 所示。基桩中心距离速度入口为 10D，基桩中心距离压力出口为 20D，基桩中心距离左右侧面为 10D，基桩展向高度为 πD，计算域上下表面为无滑移边界，圆柱桥墩表面为无滑移壁面，同时不考虑底部河床的影响。
计算域为水沙两相流，将流体视为不可压缩流。 采用 SST k-ω 湍流模型对流场进行数值模拟，磨蚀预测采用 Finnie 颗粒磨蚀模型，采用 DPM 离散 模型对离散相沙粒进行设置，泥沙类型为石英砂，其密度为 2 650 kg /m3 ，单圆柱材料定义为 C35 普通混凝土，沙粒作为离散相，其射流源以面源的方式进入流场，并将颗粒设置为惰性颗粒。
1. 4 网格无关性分析
采用 ANSYS Workbeach 软件建立三维模型，并通过 ICEM CFD 划分网格。网格类型和尺寸涉及到计算精度和总体计算量的大小。进行网格无关性分析能够得到适合用问题的网格密度，排除因网格数量对模拟结果的影响，从而保证数值模拟结果的精度。如图3 所示，针对网格数量建立了不同模型并加以计算。
划分网格时，采用六面体网格划分，并对网格进行局部加密。在进行模拟时，将三维模型分别划分为 0. 294 46 × 106 、0. 583 36 × 106 、0. 964 98 × 106 、 1. 198 56×106 、1. 887 97×106 、2. 586 52×106 这六种网格数，得到不同网格数对柱面最大冲蚀率的影响， 如图 4 所示。
由图 4 可知，随着网格数的增加，最大冲蚀磨损 率呈现出先增大再减少后趋于平稳的趋势，网格数为 1 198 560 时，逐渐趋于平稳状态，其绝对值误差小于 5%，可认为满足网格无关性要求。因此，在同时考虑计算精度以及计算效率的情况下，为节约计算时间，划分网格数选为 1 198 560。
2 计算结果与分析2. 1 流场特性分析
流场计算是冲蚀模拟的基础，冲蚀磨损往往取决于流体的流动特性。通过运用 FLUENT 软件对基桩的冲蚀模拟分析，得到了其流场的分布情况。流体遇到基桩发生绕流，在离心力的作用下，流体以一定的角度绕流出去，圆形截面的基桩有利于流体的绕流，两侧不会出现涡流现象，颗粒跟随水流进行运动，水流流速和流向的改变也会使颗粒的运行轨迹发生改变。
由图 5 可知，由于基桩对水流的阻碍作用，从上游来流方向的水流局部能量损失变大，流体动压力在桥墩前方的位置处略有减少。流体发生绕流后，与桩周的来流流体产生相互挤压的情况，导致两侧压强增大，流速增大，同时在背流面出现低压区，使流经桩两侧的流体向该低压区汇集流动，如图 6 所示，在基桩背流面出现湍流强度变大的情况。
2. 2 颗粒分布特性
固体颗粒受到流体的携带作用，其空间分布特征很大程度上取决于流体的流场特征。在基桩上游区域，固体颗粒体现出良好的跟随性，流体在流经基桩时，固体颗粒与基桩发生直接碰撞，造成壁面磨损， 如图 7 所示，磨损区域集中于基桩迎流面，由于重力所致，冲蚀磨损最严重的部位发生在河床－桩交接位 置，并顺着高度方向逐渐减少。
2. 3 冲蚀磨损分析
本文采用控制变量法进行研究，每次数值模拟只改变水流流速、泥沙粒径和含沙量其中一个变量，而保持其他的变量不变，然后对所得结果进行统计分析。
2. 3. 1 水流流速对冲蚀磨损的影响
冲蚀磨损可以用最大冲蚀率进行定量分析。水流流速是造成冲蚀磨损的重要因素之一，选取基桩直径 1 m，颗粒粒径为 2×10－4 m 的模型，在流速 1 m / s 至 6 m / s 六种流速下得到的最大冲蚀速率，当含沙量为 0. 5 kg /m3 时，其最大冲蚀速率分别为 8. 94 × 10－7 kg·m－2 ·s －1 、5. 19× 10－6 kg·m－2 ·s －1 、1. 13 × 10－5 kg·m－2 ·s －1 、1. 82×10－5 kg·m－2 ·s －1 、3. 22×10－5 kg·m－2 ·s －1 、5. 04×10－5 kg·m－2 ·s －1 ，图 8 反映了 不同的入口流速和最大冲蚀速率的关系，最大冲蚀率随着流速的增大而增大，且在不同的含沙量下，流速对最大冲蚀率的影响呈现出不同的增大规律。
当含沙量为 0. 5 kg /m3 、1. 0 kg /m3 、1. 5 kg /m3 时，流速分别为 1 m / s 和 6 m / s 时，其最大冲蚀率分别从 8. 94× 10－7 kg·m－2 ·s －1 增至 5. 04×10－5 kg·m－2 ·s －1 ，从 3. 18×10－6 kg·m－2 ·s －1 增至 9. 87×10－5 kg·m－2 ·s －1 ， 从 3. 34×10－6 kg·m－2 ·s －1 增至 1. 41×10－4 kg·m－2 · s －1 ，可以看出，流体的流速对桩的冲蚀磨损影响较大。颗粒的动能是造成靶材表面磨损的主要能量，流体的流速增大，固体颗粒所具有的动能就越大，对靶材造成的破坏就越严重。通过对数据的拟合分析，不同流速与最大冲蚀磨损率呈现出明显的指数关系。
2. 3. 2 泥沙粒径对冲蚀磨损的影响
研究颗粒粒径与最大冲蚀磨损率的关系时，控制含沙水流的含沙率保持不变，通过改变颗粒粒径来观察其对最大冲蚀磨损率的影响。现选取基桩直径 1 m，含沙量为 0. 5 kg /m3 的情况，在 1 m / s、2 m / s、 4 m / s、6 m / s 的速度下，分别添加 2 × 10－4 m、3. 5 × 10－4 m、5×10－4 m、8×10－4 m、1×10－3 m 五种不同粒径的颗粒进行数值模拟，得到不同颗粒直径下的最大冲蚀磨损率。
由图 9 可知，最大冲蚀速率随粒径的增大总体上 呈现出先减少后增大或平稳发展的趋势。最大冲蚀磨损率在粒径 200 μm 到 500 μm 范围内下降最为明显， 在粒径 500 μm 到 1000 μm 范围内，对于低速水流， 随着粒径的增大，最大冲蚀率也会略有上升，对于高速水流，随着粒径的增大，最大冲蚀率上升不明显，说明此时流速是造成冲蚀磨损的主因。当粒径较小 时，流体对其有良好的携带作用，颗粒受到连续相湍 动作用的影响，可以撞击壁面的有效面积增大，颗粒 与基桩表面的碰撞更加充分，导致较大的冲蚀率; 随着颗粒粒径的增大，固体颗粒的跟随性下降，同时颗粒之间的相互碰撞也造成能量的损失，颗粒撞击壁面的强度也随之降低; 当颗粒的直径增加到一定的程度时，由于颗粒自身惯性力的增大，会使最大冲蚀率 增大。
2. 3. 3 含沙量对冲蚀磨损的影响
在数值模拟过程中控制一种颗粒粒径保持不变， 通过改变含沙量来观察其对基桩冲蚀磨损率的影响。 含沙量与水流挟沙力密切相关，水流挟沙力是指一定水流及边界条件下，能够通过河段下泄的沙量。在数值模拟过程中，暂不考虑挟沙力的影响。现选取基桩直径 1 m，颗粒粒径为 2×10－4 m 的模型，在 0. 5 kg/m3 、 1. 0 kg /m3 、1. 5 kg /m3 的含沙量下的最大冲蚀磨损率 如图 10 所示。
含沙量也对最大冲蚀率影响较大，在高速水流中，这种影响更加明显。由图 10 可知，在含沙水流对基桩的冲蚀过程中，含沙量与最大冲蚀速率基本呈线性正相关关系，含沙量越高，最大冲蚀磨损率越大。当含沙量增大时，固体颗粒数量增多，颗粒与壁面的碰撞次数增多，相应的冲蚀速率增大。
3 结 论通过流体计算软件( FLUENT) 进行模拟，将流体看作连续相流体，将沙颗粒看作离散相颗粒，研究了水沙两相流的流速、含沙量和颗粒粒径对桥梁基桩的冲蚀磨损规律，可以得出以下结论:
( 1) 流速和含沙量是造成基桩冲蚀磨损的主要因素，最大冲蚀率随流速、含沙量的增大而增大，且基桩最大冲蚀率与流速呈现出指数关系，与含沙量呈现出正相关关系。
( 2) 最大冲蚀速率随粒径的增大呈现出先减少后缓增或稳定的趋势。这与水流的携沙能力有关，沙颗粒越大水沙两相流的携带能力越差，大直径沙固体颗粒在河底以推移质的形式向前滚动，使得冲蚀磨损率逐渐减少，而后趋于稳定。要明确其具体变化规律， 还需增加试验数组。
水利水电技术
水利部《水利水电技术》杂志是中国水利水电行业的综合性技术期刊（月刊），为全国中文核心期刊，面向国内外公开发行。本刊以介绍我国水资源的开发、利用、治理、配置、节约和保护，以及水利水电工程的勘测、设计、施工、运行管理和科学研究等方面的技术经验为主，同时也报道国外的先进技术。期刊主要栏目有:水文水资源、水工建筑、工程施工、工程基础、水力学、机电技术、泥沙研究、水环境与水生态、运行管理、试验研究、工程地质、金属结构、水利经济、水利规划、防汛抗旱、建设管理、新能源、城市水利、农村水利、水土保持、水库移民、水利现代化、国际水利等。
