淺談橋梁墩臺對河道防洪影響的分析計算

肇慶市水務技術中心 526040

摘要：橋梁是公路交通建設的重要組成部分。橋梁橫跨河流、侵占河道行洪面積、壅高水位、改變局部流態，對沿河兩岸堤防造成影響。按照河道管理范圍內建設項目管理的相關規定，橋梁在建設時，需進行防洪影響評價，而對橋梁壅高水位及引起的沖淤變化計算是防洪影響評價計算的一項重要內容。為此結合肇慶市廣寧縣金場綏江大橋工程，利用有限元法，對橋梁建成后河流的局部水位壅高和流態變化進行分析評價。

關鍵詞：防洪評價；平面二維計算；橋梁；數學模型。

1二維數學模型及計算內容

天然河道一般邊界曲折、地形復雜，對于復雜河段的水流運動數值模擬，多采用基于曲線網格的坐標變換方法，其中正交曲線變換和一般（非正交）曲線變換方法是兩種最常用的方法。本研究采用一般曲線坐標變換方法。一般曲線變換不受計算網格必須嚴格保證正交的限制，網格生成也較靈活。

1.1 模型計算的基本原理

經一般曲線變換后的平面二維水流模型控制方程為：

水流連續方程： （4-1）

河道主流方向運動方程：

（4-2）

垂直主流方向（河寬方向）水流運動方程：

（4-3）

其中：H 為水深（m）；u 和 v 為x 和 y 方向的流速（m/s），M=uh，N=vh；為水位（m）；n 為曼寧糙率系數；為紊動粘性系數；、為曲線坐標中流速在和方向的分量為，，；為雅克比數，；；；；；；；；、、、表示偏導數，如。

1.2 模型方程離散

上述控制方程可表達成統一的對流擴散方程形式：

（4-4）

模型計算物理量采用同位（非交錯）網格布置，即計算物理量布置在控制體中心點P上。采用控制體積法，將控制方程對所示的控制體積沿時間和空間進行積分，可得出控制方程的通用離散形式：

（4-5）

其中：；；

；；

；；

式中，=，帶上標0的量表示上一時間層的值。為網格Peclet數，、、和表示控制體積表面的對流系數，、、和表示控制體積表面的擴散系數，其表達式分別為：

；；；；

；；；

； =

求解過程中，為避免水位波動，控制體交界面上的流速采用動量插值處理；為避免計算迭代過程中出現溢出，采用了Patankar 和Spalding 提出的欠松弛技術，即在離散方程式中引入欠松弛因子，以改善離散方程式中系數的對角占優程度。

1.3 計算邊界條件

平面二維水流模型中，邊界條件通常包括河道進出口邊界、岸邊界及動邊界處理等。本模型中：

1）進口邊界：根據已知進口全斷面流量，給定入流單寬流量沿斷面的橫向分布。

2）出口邊界：給定出口斷面的水位。

3）岸邊界：岸邊界為非滑移邊界，給定其流速為零。

4）動邊界：本模型采用“凍結”法進行動邊界處理，即根據水位結點處河底高程來判斷該網格單元是否露出水面，若不露出，糙率取正常值，反之，糙率取一個接近于無窮大的正數。同時為了不影響水流控制方程的求解，在露出水面的結點處需給定一個薄水層，一般給定其厚度為0.5cm。

1.4 計算過程

基于上述基本方程、求解方法和計算網格，即可進行程序的編寫和調試，建立二維數學模型。在給定邊界和初始條件下，進行數值模型實驗，模型參數通過率定和驗證后，即可進行相關計算。

1.5 橋墩概化

目前對樁墩的模擬主要有兩種模式：局部阻力修正法和直接模擬法。本報告采用的是局部阻力修正法，計算時將橋墩、承臺及防撞柱均按實體不透水處理，這樣考慮的計算結果是偏安全的。

2實例計算

2.1研究范圍及網格布置

考慮到實測地形資料和本河段工程的影響范圍，模型上邊界取自工程上游430m處，下邊界取至工程下游430m處，總模擬長度860m。

本模型采用非結構三角形網格，在研究范圍內共布設了4178個三角形計算單元，網格尺寸在1～30m之間，橋墩局部區域網格加密處理（最小網格邊長1m）。

2.2工程計算水文條件

金場綏江大橋位于金場水出口上游500m的位置，距離下游東鄉水電站約4.69km，根據東鄉水電站的出流特性和本河段的水面比降關系，模型上游進口流量直接取用東鄉電站的出流量減去金場水的流量，模型下游出口水位取東鄉水電站水位上延至本工程下游430m邊界處的水位值。

防洪評價計算主要包括對河道水位、流速、流態等幾方面，根據評價項目，選擇以下水文條件進行計算：金場綏江大橋20年一遇工況

2.3計算結果分析

2.3.1 壅水分析

工程后流速差等值線見圖1。在二十年一遇水文條件下，受橋墩阻水影響，金場綏江大橋對上游洪水水位最大抬高值分別為0.06m，水位壅高值大于0.01m的最大影響范圍為擬建大橋上游120m左右，橋址下游水位有所減小，最大減小距離橋址下游90m左右。

綜上所述，工程對河道防洪（潮）水位的影響很小。

圖1 20年一遇下工程前后水位變化圖（紅色：增加，綠色：減小）

2.3.1 流速分析

工程后，流速一般變化規律為“橋墩之間有所增加，橋墩于河岸之間略微增加，橋墩附近局部區域和上下游有所減小”。20年一遇來水條件下，橋墩間河道主槽最大流速由工程前的2.02 m/s變為工程后的2.37m/s，增加值為0.35m/s。

由此可見，金場綏江大橋工程建設后，綏江河整體流態平順，流速變化區域主要局限在橋址附近，影響范圍及幅度均不太大，擬建工程對所在河道整體流速、流態影響不大。

圖2 20年一遇下工程前后流速變化圖

3 結論

（1）本文簡歷了平面二維水流書序模型，計算范圍內采用不同節點的不規則四邊形網格離散計算區域，計算方法先進、可靠。

（2）本報告采用的是樁群阻力公式法，對樁群所在網格的糙率進行修正并相應抬高網格高程，將樁群作為過水區域處理

（3）通過模型計算得出建橋后水位壅高及流速變化值，并對其進行分析和評價。計算結果表明金場綏江大橋的建設對河道水位壅高及河床沖刷有一定影響，但其水位壅高及沖刷影響有限，對河道行洪能力影響較小。

參考文獻：

[1]劉培斌等.河流工程問題數值模擬理論與實踐【M】.鄭州黃河水利出版社.1999

[2]張滌明等.計算流體力學.【M】.廣州.中山大學出版社.1991

作者簡介：

陸琦（1983年～），女，水文與水資源工程師，2007年至2015年6月在廣東省肇慶市水利水電勘測設計院從事水利水電設計工作；2015年7月在肇慶市水務技術中心從事審查工作