基于MIKE21的彎道跨河橋梁影響評價分析

楊曉敏，白 赟，張 敏

（山東省水利勘測設計院有限公司，山東 濟南 250014）

臨港鐵路G518特大橋橋長1 858.1 m，跨越河道范圍橋長為416 m，橋梁一跨跨越主河槽，橋梁軸線與主河槽夾角為80°，河道斷面內共設橋墩10個，左側灘地4個橋墩，右側灘地6個橋墩，橋墩均采用圓端形實體墩。跨越處現狀河道為復式斷面，河道寬度300 m。河道防洪標準為20年一遇，跨越處左岸現狀有堤防，堤頂寬度和高程滿足要求，不需復堤；右岸現狀為崗地，規劃不筑堤。

文章以G518特大橋跨繡針河為例，采用MIKE21分析橋梁彎道跨越河流彎道交匯處的河流流場變化以及壅水計算。MIKE21中的水動力模型軟件模塊，采用非結構化網格二維水動力模型，以非結構化三角形網格為基礎，尤其對于復雜河道邊線，可根據實際地形進行網格概化，能夠較為準確直觀的對二維非恒定流進行模擬，靈活多變，并通過后期提取及處理計算結果，能夠對河道水流形態和跨河建筑物的壅水影響做到直觀、可視化。

1 模型建立

1.1 計算區域

本次模型計算區域選定上游5.5 km至坪嵐鐵路跨繡針河處，下游3.2 km至桑園河入繡針河河口處，計算區域縱向長度8.7 km，橫向寬度均在300 m左右。網格劃分節點與網格單元因計算斷面的不同數量有所不同，橋梁跨越處的網格相對密集。

1.2 邊界條件

臨港鐵路G518特大橋跨河工程模型上游邊界采用坪嵐鐵路跨繡針河處20年一遇洪水設計流量1 321 m3/s，下游邊界起調水位采用《日照市繡針河0+000～14+600段治理工程初步設計報告》中桑園河入繡針河河口處20年一遇洪水位為23.85 m。

1.3 模型驗證

本次模型的準確性驗證采用與2012年繡針河0+000～14+600段治理設計水面線成果進行相應驗證?？紤]橋梁縱向跨越河道范圍以及河道比降較大，選取2012年繡針河0+700～1+700段治理設計水面線成果進行相應驗證。以20年一遇防洪流量1 321 m3/s時的模型模擬水位值與2012年繡針河治理設計水位進行比較，從而來率定模型的準確性。

根據繡針河20年一遇水位的數值模擬結果與2012年繡針河規劃治理設計值的比較，發現數值模擬結果與原設計差值均小于0.1 m，平均絕對差值0.03 m，吻合較好。

在G518特大橋與繡針河交匯處，該處局部地形地貌比較復雜，出現地形尖銳變化，故對其進行地形鈍化處理，使地形變緩。對河道堤頂進行概化處理，將堤頂寬度概化成相同寬度，且高程統一賦值為計算長度內平均堤頂高程。G518特大橋跨越繡針河處，河道斷面內的10個橋墩，其承臺頂高程均低于河道斷面底高程，故不再考慮承臺對洪水的影響，只概化橋墩對繡針河河道影響。

2 結果分析

2.1 流場分析

跨河橋梁之所以影響水流，主要是由于橋墩的存在減小了過水斷面的面積和水流繞過橋墩時會受到橋墩的額外阻力作用。

橋墩阻力的大小由式（1）給出：

式中：Cd為橋墩的拖曳力系數，為無量綱量，與橋墩的形狀和布置有關；V為橋墩處的行進流速，m/s；AP為水下垂直于來流方向的橋墩截水面積，m2。

實際計算中，考慮橋梁建成后由于水流沖刷增加的阻力，將阻力平均分布在橋墩中心所在的單元上。通過增加額外“橋墩剪切應力”來修正單元內床面剪切應力的方向部分。修正后的單元的床面切應力為：

式中：Ae為橋墩所在單元的單元面積，m2。

對于所含橋墩的單元，單元內的床面剪切應力相應增加。

計算20年一遇洪水情況下橋位處斷面的流速分布，以及水流方向與正北方向的夾角。取G518特大橋跨繡針河上、下游測量中心線作為剖面線，提取該剖面上各點的水位和流速，對橋梁工程修建前后的水流狀態進行分析比較可知：20年一遇洪水時，工程實施后對河道內水流的影響主要集中在橋區的上下游，跨越處橋下主槽流速為1.68 m/s，橋區斷面因水流集中導致流速有所增加，流速最大增加量為0.346 m/s，約為建橋前流速的33.73%，流向改變8.914°；流速最大減小量1.071 m/s，約為建橋前流速的89.50%，流向改變42.241°。

工程實施后水流方向自河道中泓線向兩岸發生偏移，在橋址處及其上、下游附近偏移量最大，至上、下游200 m處基本恢復到工程實施前的流向。因此應對橋址處上、下游兩側河岸及堤防采取防護措施。

2.2 壅水分析

本次模型計算區域縱向長度8.7 km，考慮繡針河為山丘區河道比降大，且跨越處上游1.2 km為于家村漫水橋，上游壅水范圍相對較小，本次計算結果選取橋梁跨越處上、下游各1 km工程實施前后的水位進行對比分析，見表1。

由表1可以看出，橋址處以及其上游側水位在工程實施后均有所增加，而橋址處下游水位變化較小。工程實施后，20年一遇洪水時，G518特大橋跨繡針河對橋址處上游720 m范圍內水位有一定影響，工程實施前后最大水位變化0.051 m，最大水位壅高發生在橋軸線上游，離橋軸線越遠，水位壅高越小，在橋軸線上游720 m以外范圍工程實施前后水位趨于平穩。從總體上看，工程實施后使得橋址處上游壅水，橋下游水位變化較小。

表1 實施前后20年一遇洪水位對比表m

2.3 經驗公式計算

根據《鐵路工程水文勘測設計規范》（TB 10017-99），橋前壅水高度可采用式（4）計算：

式中：ΔZm為橋前最大壅水高度，m，η為阻水系數；V為斷面平均流速，m/s；VM為橋下平均流速，m/s。

壅水曲線全長可按式（5）近似估算：

式中：Ly為壅水曲線全長，m；I0為橋址河段天然水面坡度。

采用上述壅水公式計算工程實施后橋前最大壅水高度及壅水長度，經計算，G518特大橋跨繡針河橋前20年一遇壅水高度為0.07 m，壅水長度為524 m，橋下影響范圍內平均流速1.25 m/s。

2.4 結果對比分析

通過水動力模型計算，20年一遇洪水時，工程實施后跨越處橋下主槽流速為1.68 m/s，最大水位壅高0.051 m，水位壅高影響范圍720 m；通過經驗公式計算，橋下平均流速為1.25 m/s，最大水位壅高0.07 m，壅水長度為524 m。

模型可以提取河道橫剖面上各點的水位和流速，能夠較為直觀地反映水流狀態，經驗公式只能計算某一斷面平均流速，對于彎道河流，若斷面密集，則會出現計算斷面重疊情況。兩種方法計算成果相差不大，數學模型是在大量實測資料的基礎上對實際情況的模擬，模型得到了水位的驗證，成果較為可靠。綜合考慮，本次采用模型模擬成果。

3 結語

1）本次模擬河道繡針河，其河道水面比較寬，根據多年觀測資料和模型計算成果分析，采用MIKE21中的水動力模型軟件模塊進行模擬是可行的。

2）工程實施前后流態變化：工程實施后橋上游由于橋的壅水作用，水位有所升高，升高值以橋址附近最大，向上游逐漸減小，其流速隨水位的升高而減??；橋址處流速改變最大，向上游其改變值逐漸減??；橋下游在橋址附近水流紊亂，在一個過水斷面內各點流速有一定的變化，但平均流速略有減小，變化不大，隨著向下游遠離橋址，逐漸恢復為工程實施前的水平。

3）通過采用MIKE21水動力模型對彎道跨河橋梁的水流狀態進行模擬，成果可靠，并通過對其計算成果后期提取及處理，能夠在對水流狀態進行分析的同時做到直觀、可視化，此方法可直接用于本橋的防洪影響評價以及復雜河道邊界條件的設計工作中。