Study on Three-Dimensional Flow Characteristics around Bridge Piers under the Obstruction of Floating Debris in Meandering Rivers

LI Lingwen; ZHONG Liang; LI Fan; LU Zhouzhou

doi:10.3969/j.issn.1001-9235.2026.06.009

English Version Journal Login

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

Study on Three-Dimensional Flow Characteristics around Bridge Piers under the Obstruction of Floating Debris in Meandering Rivers

更新时间：2026-06-30

- Study on Three-Dimensional Flow Characteristics around Bridge Piers under the Obstruction of Floating Debris in Meandering Rivers
- PEARL RIVER Vol. 47, Issue 6, Pages: 92-104(2026)
- 作者机构：
  
  重庆交通大学河海学院，重庆 400074
- 作者简介：
- 基金信息：
- DOI：10.3969/j.issn.1001-9235.2026.06.009
  CLC： TV131.2
- Received：08 January 2026，
  
  Revised：2026-03-03，
  
  Accepted：05 March 2026，
  
  Online First：06 March 2026，
  
  Published：25 June 2026
- 稿件说明：
移动端阅览
李铃雯，钟亮，黎范，等.弯曲河道漂浮物阻滞作用下桥墩周围三维水流特性研究［J］.人民珠江，2026，47（6）：92-104.

LI Lingwen,ZHONG Liang,LI Fan,et al.Study on Three-Dimensional Flow Characteristics around Bridge Piers under the Obstruction of Floating Debris in Meandering Rivers[J].PEARL RIVER,2026,47(06):92-104.
李铃雯，钟亮，黎范，等.弯曲河道漂浮物阻滞作用下桥墩周围三维水流特性研究［J］.人民珠江，2026，47（6）：92-104. DOI： 10.3969/j.issn.1001-9235.2026.06.009.

LI Lingwen,ZHONG Liang,LI Fan,et al.Study on Three-Dimensional Flow Characteristics around Bridge Piers under the Obstruction of Floating Debris in Meandering Rivers[J].PEARL RIVER,2026,47(06):92-104. DOI： 10.3969/j.issn.1001-9235.2026.06.009.

摘要

山区中小河流中，漂浮物在弯曲河道桥墩前积聚并显著改变局部水流结构的现象较为常见。为研究漂浮物阻滞作用下桥墩周围水流特性，采用三维水流数值模拟方法，探讨了斜交角（

）、弗劳德数（

）及阻水率（

）对桥墩附近水位及比降沿程分布和流速空间分布的影响规律。结果表明：①随着斜交角增大，桥墩对漂浮物的侧向拦截作用增强，加剧了局部壅水，在弯角

=45~ 60°范围内，水位跌落现象更为显著，比降衰减程度增大，漂浮物的阻滞促进了垂向环流与侧向绕流，使流速分布在三维空间呈现明显各向异性；②高弗劳德数条件下，水流惯性增强抑制了壅水高度，而漂浮物的阻滞影响动能与势能之间的有效转换，导致能量向凸岸集中释放，引发局部强烈跌水与比降骤增，流速场呈现高梯度剪切特征，墩后回流区范围扩大且强度提高；③漂浮物的阻滞增强了桥墩的阻水作用，引起水位降幅加剧，比降变化存在滞后性；在垂向动量交换受限与紊动强度增大的共同作用下，流速空间结构发生重构，回流区范围持续扩展。研究成果可为山区中小河流桥梁防洪设计与水毁防治提供科学依据。

Abstract

In mountainous medium and small rivers

floating debris frequently accumulates upstream of bridge piers located in curved channels

significantly altering the local flow structure. To investigate the hydrodynamic characteristics around bridge piers under debris-blocked conditions

a three-dimensional numerical model was developed to analyze the effects of the oblique angle (

)

Froude number (

)

and blockage ratio (

) on the longitudinal water surface profile

surface gradient

and three-dimensional velocity distribution near bridge piers.The results indicate that the oblique angle plays a critical role in determining local backwater elevation. As the oblique angle increases

the lateral interception of floating debris by the pier intensifies

exacerbating local backwater and reducing the water surface gradient. Within the bend angle range of

= 45~60°

the drawdown of the water surface becomes more pronounced

and the attenuation of the surface gradient is further amplified. Moreover

the presence of debris enhances vert

ical circulation and lateral flow diversion

prolongs the vertical adjustment of the flow

and results in a distinctly anisotropic velocity distribution. Under high Froude number conditions

increased flow inertia suppresses backwater development

leading to a reduced backwater height upstream of the pier and a notable increase in flow velocity around it. However

the obstruction caused by floating debris hinders the efficient conversion between kinetic and potential energy

causing a concentrated energy release toward the convex bank. This induces severe localized drawdown and a sharp increase in the water surface gradient. The velocity field exhibits high-gradient shear characteristics

with intensified velocity gradients in the middle layer and a weakened yet extended recirculation zone near the bed.Consequently

the recirculation region downstream of the bridge pier expands in both extent and intensity. The presence of floating debris amplifies the blocking effect of the pier

resulting in a more substantial water level drop and an increased disparity in surface gradients between the concave and convex banks. Under the combined influence of centrifugal force and pier resistance

variations in the water surface gradient along the convex bank exhibit a delayed response compared to those along the concave bank. Furthermore

under the coupled effects of constrained vertical momentum exchange and elevated turbulence intensity

the spatial structure of the velocity field is reconfigured

forming a vertically stratified pattern characterized by concentrated flow in the surface layer and attenuated flow near the bed

while the recirculation zone continues to expand. These findings provide a scientific basis for flood control design and mitigation of bridge damage in mountainous medium and small rivers.

关键词

Keywords

references

BAI Y C ， WANG X . Theoretical bend-flow solutions and velocity-dip phenomenon ［J］. Journal of Hydraulic Research ， 2016 ， 55 （ 3 ）： 338 - 348 .

张凤逐，李春光，景何仿，等 . 斜交桥墩影响下的弯道水流运动三维数值模拟［J］. 中国农村水利水电， 2023 （ 12 ）： 148 - 162 .

ZHANG F Z ， LI C G ， JING H F ， et al . Three-dimensional number value simulation under the influence of oblique bridge pier ［J］. China Rural Water and Hydropower ， 2023 （ 12 ）： 148 - 162 . （in Chinese）

何国建，方红卫，府仁寿 . 桥墩群对河道水流影响的三维数值分析［J］. 水动力学研究与进展A辑， 2007 （ 3 ）： 345 - 351 .

HE G J ， FANG H W ， FU R S . Three-dimensional numerical analyse on waterflow affected by piers ［J］. Journal of Hydrodynamics： Research and Progress A ， 2007 （ 3 ）： 345 - 351 . （in Chinese）

张小峰，白洋，王彩虹 . 桥墩附近水流结构的三维数值模拟［J］. 中国科技论文， 2012 ， 7 （ 5 ）： 364 - 371 .

ZHANG X F ， BAI Y ， WANG C H . Three-dimensional simulation of flow structures near bridge pier ［J］. China Sciencepaper ， 2012 ， 7 （ 5 ）： 364 - 371 . （in Chinese）

吴安杰，杨万理，赵雷 . 洪水对桥墩的瞬间冲击效应［J］. 公路交通科技， 2018 ， 35 （ 6 ）： 67 - 73 .

WU AN J ， YANG W L ， ZHAO L . Moment impact effect of flood on bridge pier ［J］. Journal of Highway and Transportation Research and Development ， 2018 ， 35 （ 6 ）： 67 - 73 . （in Chinese）

孙一，赵小娥，王协康 . 弯道水流对下游回水响应特征试验研究［J］. 水科学进展， 2010 ， 21 （ 5 ）： 600 - 605 .

SUN Y ， ZHAO X E ， WANG X K . Experimental study of bend flow response to downstream backwater ［J］. Advances in Water Science ， 2010 ， 21 （ 5 ）： 600 - 605 . （in Chinese）

李晋琴，吕宏兴，韩文霆 . U形渠道水流紊动特性试验研究［J］. 节水灌溉， 2014 （ 1 ）： 13 - 16 .

LI J Q ， LYU H X ， HAN W T . Experiment study on turbulence characteristics of flow in U-Shaped Channel ［J］. Water-Saving Irrigation ， 2014 （ 1 ）： 13 - 16 . （in Chinese）

BAI Y C ， JI Z Q ， ZHANG M J . A type of dynamic mechanism of river hydraulic geometry ［J］. Science China（Technological Sciences）， 2014 ， 57 （ 4 ）： 847 - 855 .

方神光，黄胜伟，崔丽琴 . 混合有限分析法在桥墩水流数值模拟中的应用［J］. 人民长江， 2010 ， 41 （ 7 ）： 75 - 78 .

FANG S G ， HUANG S W ， CUI L Q . Application of mixed finite element method in numerical simulation of influence of bridge piers on flow ［J］. Yangtze River ， 2010 ， 41 （ 7 ）： 75 - 78 . （in Chinese）

丁安娜 . 基于RNG k-ε湍流模型的串列双矩形截面桥墩绕流流场特性研究［J］. 人民珠江， 2022 ， 43 （ 3 ）： 109 - 116，122 .

DING A N . Characteristics of Flow Field around Double Rectangular Piers in Tandem Based on RNG k-ε Turbulence Model ［J］. Pearl River ， 2022 ， 43 （ 3 ）： 109 - 116，122 . （in Chinese）

魏松，戴齐超，章飞凡，等 . 上游河床地形对桥墩局部冲刷的影响［J］. 水利水运工程学报， 2025 （ 2 ）： 74 - 83 .

WEI S ， DAI Q C ， ZHANG F F ， et al . The influence of upstream riverbed topography on local scouring around bridge piers ［J］. Hydro-Science and Engineering ， 2025 （ 2 ）： 74 - 83 . （in Chinese）

赵苏磊，陆炀，张松，等 . 桥墩群阻水对河道水动力的影响研究［J］. 人民黄河， 2015 ， 37 （ 5 ）： 42 - 44，48 .

ZHAO S L ， LU Y ， ZHANG S ， et al . Study on Influence of Backwater Affected by Pier Group on Hydrodynamics in River Channel ［J］. Yellow River ， 2015 ， 37 （ 5 ）： 42 - 44， 48 . （in Chinese）

王俊鸿，覃光华，童旭 . 柱状桥墩顺河桥对山区河道壅水和冲刷的影响研究［J］. 人民珠江， 2019 ， 40 （ 4 ）： 122 - 128 .

WANG J H ， QIN G H ， TONG X . Study on the Influence of Along River Bridge with Column Pier on Damming and Scouring of Mountain River ［J］. Pearl River ， 2019 ， 40 （ 4 ）： 122 - 128 . （in Chinese）

PIRESTANI M R ， TABATABAI M R M ， NEYSHABOURI A . U型弯道流速变化的物理模型研究［J］. 人民黄河， 2005 （ 11 ）： 75 .

PIRESTANI M R ， TABATABAI M R M ， NEYSHABOURI A . Physical modeling of flow velocity changes in u-shaped curves ［J］. Yellow River ， 2005 （ 11 ）： 75 .

海显盛，魏彭林 . 弯曲河道方形桥墩紊流宽度数值模拟［J］. 水运工程， 2018 （ 1 ）： 134 - 141 .

HAI X S ， WEI P L . Numerical Simulation of Turbulent Flow Width of Curved Channel Square Pier ［J］. Port & Waterway Engineering ， 2018 （ 1 ）： 134 - 141 . （in Chinese）

吴华莉，金中武，张小峰，等 . 连续弯道水流特性的试验研究［J］. 水利水电技术， 2014 ， 45 （ 1 ）： 73 - 76 .

WU H LI ， JIN Z W ， ZHANG X F ， et al . Experiment study on flow characteristics of meandering river channel ［J］. Hydraulic Engineering and Hydroelectric Power Technology ， 2014 ， 45 （ 1 ）： 73 - 76 . （in Chinese）

杨焘铭，王志国，张才杰，等 . 弯道水流对桥墩下游水流流态的影响与改进［J］. 南水北调与水利科技（中英文）， 2024 ， 22 （ 6 ）： 1205 - 1213 .

YANG T M ， WANG Z G ， ZHANG C J ， et al . The influence and improvement of curved water flow on the flow pattern downstream of bridge piers ［J］. South-to-North Water Transfers and Water Science & Technology ， 2024 ， 22 （ 6 ）： 1205 - 1213 . （in Chinese）

蔡莹，唐祥甫，蒋文秀 . 河道漂浮物对工程影响及研究现状［J］. 长江科学院院报， 2013 ， 30 （ 8 ）： 84 - 89 .

CAI Y ， TANG X F ， JIANG W X . Summary of Treatment Measures for Floating Debris in River Course ［J］. Journal of Yangtze River Scientific Research Institute ， 2013 ， 30 （ 8 ）： 84 - 89 . （in Chinese）

CICCO D P N . Experimental and numerical investigation of the effect of different shapes of collars on the reduction of scour around a single bridge pier ［J］. Plos One ， 2014 ， 15 （ 2 ）. DOI： 10.1371/journal.pone.0098592 http://dx.doi.org/10.1371/journal.pone.0098592 .

MOUSSA Y A M ， NASR-ALLAH T H ， ABD-ELHASSEB A . Studying the effect of partial blockage on multi-vents bridge pier scour experimentally and numerically ［J］. Ain Shams Engineering Journal ， 2018 ， 9 （ 4 ）： 1439 - 1450 .

李果，郭志学，李彬，等 . 堆积体作用下水流水力特性变化试验研究［J］. 四川大学学报（工程科学版）， 2016 ， 48 （ S1 ）： 14 - 19 .

LI G ， GUO Z X ， LI B ， et al . Experimental study on the variation of flow hydraulic characteristics under the effect of congeries ［J］. Journal of Sichuan University （Engineering Science Edition）， 2016 ， 48 （ S1 ）： 14 - 19 . （in Chinese）

NASIM M ， SETUNGE S . A pioneering integration of structural health assessments and dynamic analyses： bridge pier responses to the impact of floating objects during extreme floods ［J］. Journal of Marine Science and Engineering ， 2024 ， 12 （ 4 ）. DOI： 10.3390/jmse12040526 http://dx.doi.org/10.3390/jmse12040526 .

苏杨中，郭志学，彭清蛾，等 . 堆积体作用下的河道壅水计算［J］. 人民黄河， 2012 ， 34 （ 8 ）： 12 - 14 .

SU Y Z ， GUO Z X ， PENG Q E ， et al . Calculation of backwater effect caused by accumulation body ［J］. Yellow River ， 2012 ， 34 （ 8 ）： 12 - 14 . （in Chinese）

CICCO D N P ， PARIS E ， SOLARI L ， et al . Bridge pier shape influence on wood accumulation： outcomes from flume experiments and numerical modelling ［J］. Journal of Flood Risk Management ， 2020 ， 13 （ 2 ）. DOI： 10.1111/jfr3.12599 http://dx.doi.org/10.1111/jfr3.12599 .

OKAMOTO T ， TANAKA K ， MATSUMOTO K ， et al . Influence of velocity field on driftwood accumulation at a bridge with a single pier ［J］. Environmental Fluid Mechanics ， 2021 ， 21 （ 3 ）. DOI： 10.1007/s10652-021-09793-7 http://dx.doi.org/10.1007/s10652-021-09793-7 .

JEONGSOOK J ， YOUNGKYU K ， DONGKYUN K ， et al . Flume experiments for flow around debris accumulation at a bridge ［J］. KSCE Journal of Civil Engineering ， 2024 ， 28 （ 3 ）： 1049 - 1061 .

KIMURA I ， KITAZONO K . Effects of the driftwood Richardson number and applicability of a 3D-2D model to heavy wood jamming around obstacles ［J］. Environmental Fluid Mechanics ， 2020 ， 20 （ 1 ）： 503 - 525 .

童思陈，许光祥，钟亮 . 弯道水流纵向流速剖面的试验研究［J］. 水力发电学报， 2010 ， 29 （ 4 ）： 84 - 88 .

TONG S C ， XU G X ， ZHONG L . Experimental study on the vertical profiles of longitudinal velocity of flow in a curved conduit ［J］. Journal of Hydroelectric Engineering ， 2010 ， 29 （ 4 ）： 84 - 88 . （in Chinese）

许栋，杨海滔，王迪，等 . 河道斜交桥墩壅水特性数值模拟研究［J］. 水力发电学报， 2018 ， 37 （ 8 ）： 55 - 63 .

XU D ， YANG H T ， WANG D ， et al . Numerical investigation on backwater characteristics of oblique river crossing bridge piers ［J］. Journal of Hydroelectric Engineering ， 2018 ， 37 （ 8 ）： 55 - 63 . （in Chinese）

顾杰，李梦玲 . 丁坝对弯道水流特性影响的试验研究［J］. 水动力学研究与进展（A辑）， 2018 ， 33 （ 6 ）： 786 - 793 .

GU J ， LI M L . Experimental study on the influence of a spur dike on flow characteristics in bend channel ［J］. Chinese Journal of Hydrodynamics ， 2018 ， 33 （ 6 ）： 786 - 793 . （in Chinese）

黄靖轩，陶涛，孙小双，等 . 桥墩阻水比对弯道河流流速分布的影响［J］. 科学技术与工程， 2022 ， 22 （ 22 ）： 9781 - 9789 . doi: 10.3969/j.issn.1671-1815.2022.22.042 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1671-1815.2022.22.042

HUANG J X ， TAO T ， SUN X S ， et al . Influence of piers water resistance ratio on velocity distribution in curved river ［J］. Science Technology and Engineering ， 2022 ， 22 （ 22 ）： 9781 - 9789 . （in Chinese）

Views

下载量

CSCD

Alert me when the article has been cited

提交

Tools

Publicity Resources

Short-term Optimal Scheduling Method for Watershed Hydro-Solar-Wind Power Bases under AC-DC Hybrid Transmission Mode

Quantitative Evaluation of Regulation Capacity of Cascade Hydropower Stations for Extreme Fluctuations of New Energy Under Source-Load Matching

Transport of Contaminants in Heterogeneous Fractured Network Aquifer and Contaminated Site Remediation

Spatiotemporal Evolution Characteristics of Extreme Rainfall in Typical Urban Agglomerations of China

Multidimensional Dynamic Assessment and Trend Prediction of Water Resources Carrying Capacity in Gansu Province

Related Author

No data

Related Institution

No data

AI问答

⁰