大跨徑橋墩對河道流態影響的數值模擬分析

于 浩，尚 華，孫維民

（1.水發規劃設計有限公司，山東 濟南 250000；2.山東大禹水務建設集團有限公司，山東 濟南 250000）

目前山東省內跨河大橋的橋跨布置大多采用跨徑為32 m的“經濟型”橋墩布置，大跨徑橋墩布置實際應用較少，相應研究更是匱乏，判斷依據相對薄弱。本文以魯南高鐵跨沂河特大橋為例，應用數學模型模擬探尋不同跨徑、不同角度橋墩布置對河道防洪影響程度及規律，為大跨徑跨河橋墩布置提供理論參考。

沂河為天然山洪河道，橋址所在處較為順直，河床比1/2 500，堤間距1 275 m，左邊灘寬182 m，右邊灘寬74 m，主槽寬1 019 m。橋址處沂河防洪標準為20年一遇。

1 平面二維水流數學模型的建立

考慮到河道水動力主要受上游河道下泄徑流影響，因此本文采用工程附近局部二維水流數學模型的方法研究。工程所在河道為邊界曲折、地形復雜的天然河道，要模擬此種復雜河道，可通過曲線坐標變換方法。

1.1 基本方程

在笛卡爾坐標系下，根據靜壓和勢流假定，沿垂向平均的二維水流基本方程如下：

連續方程：

動量方程：

式中：ζ為自由水面高程，m；u、v為流速平均值，m/s；h為水深，m；f為柯氏系數，f＝2ωsinφ，ω為地球自轉角速度，φ為當地經緯度；g為重力加速度；τsx、τsy分別是水面風切應力在x、y方向上的分量，τbx、τby分別是底部摩擦力在x、y方向上的分量，ρa為空氣密度；ρw為水的密度；εx、εv為x、y方向紊動粘滯系數，m2/s。

1.2 定解條件

1）初始條件：

2）邊界條件：

閉邊界：

開邊界：

式中：ζa、ua、va為已知的水位及x、y方向流速。

1.3 邊界條件

20年一遇洪水時，上游控制邊界為設計最大洪峰流量10 000 m3/s；下游控制邊界為設計洪水位79.72 m。

1.4 計算網格

以該地區2015年實測地形圖為基準，選取橋址上下游各2.5 km河段為計算范圍，橋墩附近網格局部加密，網格尺寸0.5 m2，二維模型網格劃分見圖1。

圖1 平面二維模型網格和橋墩布置局部網格示意圖

1.5 計算參數

在二維水流模型中，上游進口斷面沿用河道設計洪水分析成果，下游出口斷面采用河道水面線計算設計水位。糙率參數采用河道治理成果，其中主槽0.034，灘地0.065。

2 橋墩布置對河道防洪影響

在20年一遇工況下，選取相同角度（0°）不同跨徑的4組方案，見表1。對4組方案分別在橋墩與水流夾角4°、8°條件下模擬。

表1 不同橋墩布置方案

2.1 不同跨徑橋墩對河道防洪影響

分別計算方案1~方案4最大雍水高度及流速增加值，見圖2。

由圖2可見，隨著阻水比的減小，橋前最大雍水高度逐漸減小，且橋墩兩側局部流速增加逐漸減小，說明興建橋梁對原河道影響程度逐步降低。

圖2 不同跨徑下最大雍水高度與流速增加值

2.2 不同角度橋墩對河道防洪影響

方案1~方案4在不同角度下的阻水比見圖3。由圖3可見，隨橋墩軸線與河道中泓線夾角度數逐漸增大，其阻水比隨之增大。但當角度過大時，會使得阻水比過高，如方案2在角度為4°時，阻水比為8.03%；方案3在角度為8°時，阻水比為8.07%，均超過規范推薦最大值8%。

圖3 不同角度下阻水比與雍水峰值

進一步研究各角度下河道防洪影響程度，計算結果如圖4。由圖4可見，隨著角度增大，阻水比逐漸增加，河道雍水高度在不斷增大且兩側局部流速也在增大，這是因為水流流向在與橋墩軸線存在夾角時，會在橋墩上游側產生繞流，形成局部漩渦，隨著夾角的增大，繞流程度也在不斷擴大。繞流對流速的影響隨著角度的增大而不斷增大，可以預見，隨著角度的繼續增大，這種影響會逐漸達到峰值，而后隨之減小。

圖4 不同角度下最大雍水高度與流速增加值

3 結論

1）隨著跨徑的增大，橋梁阻水比逐漸減小，建橋后最大雍水高度和橋墩兩側局部流速增加值逐漸減小。

2）隨著橋墩軸線與河道中泓線夾角增大，阻水比逐漸增大，建橋后最大雍水高度和橋墩兩側局部流速增加值逐漸增大，即對河道防洪影響逐漸增大。

3）實際方案應考慮建橋的經濟性和施工工期的可行性，結合橋墩布置對河道行洪影響程度綜合分析，確定最佳方案。