基于二維水動力模型的斜交橋梁防洪影響研究

（安徽省水利水電勘測設計研究總院有限公司 合肥 230000）

1 引言

目前在防洪評價中分析阻水橋梁對行洪影響時通常采用相關規范推薦的面積投影法，該方法在正交橋梁阻水計算中有較高的準確度，但是隨著橋梁斜交角度的增加以及橋墩截面型式的變化，影響越趨復雜，而且在較大斜交角度情況下，橋下凈過水面積甚至可能接近于零，由此求得的橋前壅水過大，與實際情況不符[1]。本文基于MIKE21 軟件建立昌景黃鐵路跨金東河河段二維水動力學模型，研究大橋實施后橋墩對該河段行洪能力及河勢的影響。

2 研究區概況

昌景黃鐵路金東河特大橋位于安徽省黃山市祁門縣祁山鎮境內，于金東河休張路橋上游2km 處跨閶江支流金東河，橋梁長685.45m。橋梁跨金東河處設置共16 個橋墩，其中2#～14#橋墩均位于灘地上，1#、15#、16#橋墩位于河道范圍以外。

3 模型建立

3.1 控制方程及計算方法

本次水流模擬基于的控制方程是不可壓流三維雷諾 Navier-Stokes 平均方程沿水深積分的連續方程和動量方程，在笛卡爾坐標系中可用如下方程表示：

連續性方程：

X 方向動量方程：

Y 方向動量方程：

式中：t 為時間；x，y，z 為右手Cartesian 坐標系；d 為靜止水深；h=η+d 為總水深；η 為水位；u，v 分別為流速在x，y 方向上的分量；f 為科氏力系數f=2Ωsinθ，Ω 為地球旋轉的角頻率，θ 為當地的緯度；ρ 為水的密度；ρ0為參考水密度；fv和fu為地球自轉引起的加速度；sxx，sxy，syx和syy為輻射應力分量；Txx，Txy，Tyx和Tyy為水平粘滯應力項；Pa為當地的大氣壓；S 為源匯項（us，vs）水流流速。τsx，τsy為風場摩擦力在x，y 上的分量；τbx，τby為底床，摩擦力在x，y 上的分量。橫線表示深度的平均值。

3.2 計算方案

金東河特大橋處20年一遇設計流量為660m3/s，水位為120.35m，100年一遇設計流量為1269m3/s，水位為122.15m。

3.2.1 計算范圍

二維模型計算范圍為金東河特大橋跨河段河道，根據前期研究經驗，橋梁實施后的影響范圍一般在上、下游1.0km 范圍內，因此二維地形采用實測金東河樁號E30（1+785）至樁號E52（3+885）之間金東河河道平面帶狀圖及橫斷面資料，橋址處斷面在樁號E40（2+591）處。

3.2.2 網格剖分

金東河特大橋段模擬范圍內河道面積約0.37km2，河道地形蜿蜒變化，計算區域河道過水斷面較大，河道采用邊長約8.0m 左右的三角形作為計算網格?？紤]到工程跨河橋梁間距較近，為了精細模擬出橋墩建筑物對水流的影響，模型將鐵路橋跨河段局部區域的網格進行加密處理。

3.2.3 邊界條件

沿模型計算區域的閉邊界（陸地邊界）各變量的法向流動均被設置為零。二維模型上游進口開邊界為流量控制，下游出口開邊界為水位控制。對于河道灘地部分，由于計算區域中存在隨水位起落而變化的動邊界，為保證模型計算的連續性，采用“干濕處理技術”：當計算區域水深小于0.005m 時，該計算區域的節點不參加計算，直至被重新淹沒為止；當水深大于0.1m 時，該計算區域的節點重新參加水流正常計算。

3.2.4 時間步長

利用有限體積法計算三角網格的水流模擬時，采用30s 作為最大時間步長，0.01s 作為最小時間步長。

3.2.5 模型驗證及糙率率定

一般情況下，在數值模擬計算中應對水位、流速以及流量等進行驗證。由于金東河段缺乏實測水文資料，本次計算的模型參數主要以水行政主管部門批復的橋址水位成果作為驗證標準。根據現場實際條件，對二維模型金東河主河槽糙率n 取值0.035，灘地糙率取0.045。為了使建立的二維模型能夠較好的模擬工程區域的水動力條件，本次計算根據20年一遇、100年一遇流量和相應假設的下游水位值來試算，通過控制試算橋址處水位值與批復值的誤差精度從而試算出相應的下游控制水位值[2]。模型驗證后邊界情況見表1。

表1 計算水位邊界條件及水位驗證表

4 模型計算結果分析

4.1 壅水分析

根據模擬計算，遭遇不同設計洪水各計算工況中的金東河水位變化見表2。

表2 橋前壅水高度計算成果表

由20年一遇、100年一遇設計洪水模擬成果可知，2#～6#橋墩壅水高度相對較大，在20年一遇洪水工況下，橋墩前最大壅水高度為0.27～0.30m，壅水曲線長度約為500m；在100年一遇洪水工況下，橋墩前最大壅水高度為0.30～0.35m，壅水曲線長度約為650m。金東特大橋新建后，橋前壅水高度隨著流量的加大而有所加大，壅水長度加長，總體呈橋上游壅水影響較大，下游影響小，在設計工況下，最大壅水高度不超過0.35m。各設計洪水工況橋址附近水位變化見圖1。

圖1 各設計洪水工況橋址附近水位變化圖

4.2 流速分析

金東河特大橋實施后，因橋墩建設，橋墩之間相互影響，河道流場變化，導致各方案橋墩處流速變化不一?？偟膩碚f，由于橋墩的阻水作用使得橋墩上、下游掩護區內流速有所減小，橋孔之間流速增大。20年一遇工況下，橋墩上、下游掩護區流速減小，變化幅度在0～2.5m/s；隨著建橋后橋墩間流量調整，橋孔間流速增加，且增加幅度在0～1m/s，越靠近橋墩流速變化越明顯。100年一遇工況下變化趨勢類似。

從橋址附近流速平面圖2可知，橋墩的阻水作用使得橋軸線上下游附近流速有所變化，且離橋軸線越近流速變化越明顯，反之則不明顯。20年一遇工況下，建橋后橋址上游主河槽流速減小，流速變幅在0～0.27m/s，灘地流速有所增加，流速變幅在0～0.17m/s；建橋后橋址下游主河槽流速增加，流速變幅在0～0.24 m/s；橋跨間河道斷面流速較為復雜，但總體上仍然是灘地流速加大，橋墩下游流速減小，橋孔間或橋孔與岸坡間流速加大。

圖2 各洪水工況橋墩處典型流速變化圖

由此可見，橋梁建設對河道流速及斷面流速分布均有影響，特別是在橋跨及橋跨下游附近水流紊動程度明顯增強，流速的增加及流速的不均勻變化對河床、岸坡以及橋墩自身穩定不利。

4.3 流場分析

根據20年一遇洪水工況下的流線圖可見，金東河特大橋建設后，橋墩附近出現明顯的阻流和繞流，橋墩之間的流向和流速較現狀發生了變化。總體來說，橋梁建設后引起的流場變化主要集中在橋跨附近，由于主河道內未設置橋墩，主槽內流線未發生明顯變化，水流沿主槽由西北折向西流向下游；灘地處由于橋墩的布置，且橋墩線路與河道夾角較小，橋墩的疊加影響致使橋前水流流線明顯向西偏折，灘地主流在10#～14#橋墩間匯集后流入下游。

因此，由流場流向分布圖3可看出，由于擬建橋梁的修建，造成局部流速的增加以及局部流向的改變，易對河道走勢變化較大的部位以及橋址附近岸坡造成沖刷。

圖3 20 一遇洪水工況建橋前后流線對比圖

5 結語

本次研究分析針對斜交橋梁跨河處的復雜工況，利用實測地形、斷面數據建立了MIKE21 水動力學模型模擬計算，成果表明：

（1）通過模型模擬結果與傳統經驗公式計算成果比較分析可知，模型計算可以獲取任意時間、空間的水流流態變化，可為分析河道主槽、灘地、橋墩附近等不同區域流態變化提供數據支撐，也更加有利于采取針對性的防洪補救措施，因此采用二維水動力模型分析斜交橋梁的防洪影響更加合理。

（2）由模型計算成果可知，橋梁建設后，由于橋墩造成的橋前壅水，將會對橋位河段河道過流能力、灘槽分流比、水流流速等造成一定的影響。橋墩造成的阻水需要通過河道斷面補償、優化橋跨布置、優化橋墩截面型式等方式減小影響，另外河槽中橋臺軸線與水流方向斜交，對水流有挑流作用，易對河岸造成沖刷影響，需要對橋址處上下游岸坡采取合理防護措施■