石磧河橋梁工程建設(shè)對(duì)河道水動(dòng)力條件影響研究

齊慶輝，東培華，曲紅玲

（華設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 210014）

356 省道南京段采用橋梁方式跨越石磧河，橋址距離入江口約1.3km，橋梁軸線法線方向與石磧河航道中心線交角約25 度。本文建立了平面二維水流數(shù)學(xué)模型，計(jì)算分析橋梁工程實(shí)施后對(duì)橋區(qū)河段的水流條件的影響[1][2]。

1 模型計(jì)算范圍及邊界條件

1.1 模型計(jì)算范圍

基于MIKE21 模式建立工程河段平面二維水流數(shù)學(xué)模型，計(jì)算分析橋梁工程實(shí)施后縱向流速、回流及橫流分布情況。模型上邊界距擬建橋址處約1.5km，下邊界距擬建橋址處約1.1km。模型計(jì)算范圍見圖1。

圖1 模型計(jì)算范圍

1.2 計(jì)算邊界條件

選取行洪期工程河段水位、流量作為邊界控制條件，橋區(qū)段河道三年一遇行洪流量為420m3/s，橋址處設(shè)計(jì)最高通航水位為▽7.69m(1985 國家高程，下同)。

2 數(shù)學(xué)模型建立

2.1 水動(dòng)力控制方程

基于N-S 方程，即淺水方程，建立平面二維水流數(shù)學(xué)模型，求解流速、流向以及水位。方程表達(dá)式如下：

2.2 初始及邊界條件

2.3 計(jì)算網(wǎng)格、地形及參數(shù)設(shè)置

模型計(jì)算范圍見圖1，模型上邊界距擬建橋址處約1.35km，下邊界距擬建橋址處約0.9km。為精確模擬橋墩附近水流，橋墩附近網(wǎng)格尺度為0.6m，其他區(qū)域網(wǎng)格尺度為0.6～3.0m。計(jì)算模型共有網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)61527 個(gè)，三角形單元121184 個(gè)。橋墩附近局部網(wǎng)格放大圖見圖2。

圖2 橋墩附近水域局部流場圖

擬建橋梁橋區(qū)河道糙率取0.023～0.029；紊動(dòng)粘性系數(shù)取0.01m2/s。計(jì)算時(shí)間步長取5s。

3 工程實(shí)施后水動(dòng)力變化情況分析

3.1 跨河橋梁工程對(duì)流速的影響

為分析橋梁工程建設(shè)前后工程河段水動(dòng)力條件變化情況，在工程河段共布置了9 個(gè)采樣點(diǎn)，具體位置見圖3。圖4 為大橋建設(shè)前后橋區(qū)段流速變化圖。大橋建設(shè)后，因河道斷面縮窄，河槽內(nèi)流速略有增加，流速最大增幅為0.25m/s 左右；橋軸線處工程前后流速分別為2.0m/s、2.2m/s，流速變化幅度為0.2m/s。由于橋墩的阻水作用，橋墩附近水域流速明顯減小，離橋墩越遠(yuǎn)，流速變化越小。

圖3 流速采樣點(diǎn)示意圖

圖4 大橋建設(shè)前后橋區(qū)段流速變化圖

3.2 跨河橋梁工程對(duì)紊流分布的影響

圖5 為橋墩附近等值線分布圖，大橋建設(shè)后，橋墩周圍2.0m 范圍內(nèi)由于水流繞流運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生紊流，但紊流流速較小，對(duì)航道內(nèi)船舶航行安全基本不會(huì)產(chǎn)生影響。

圖5 橋墩附近等值線分布圖

3.3 跨河橋梁工程對(duì)橫流分布的影響

跨河橋梁工程實(shí)施后，可以看出橋梁上下游100m范圍內(nèi)流速矢量與航道夾角較小，橋軸線處水流流向與航道中心線夾角為0.5°。橋梁上、下游100m 范圍內(nèi)表面流速為2.0～2.2m/s，橫流值為0.01～0.06m/s，其中橋軸線與航道中心線交點(diǎn)處橫流值為0.02m/s，符合相關(guān)規(guī)范要求。

表1 橋梁工程實(shí)施后橫流統(tǒng)計(jì)表

表2 大橋建設(shè)前后航道中心線流速統(tǒng)計(jì)表（m/s）

4 結(jié)論

本文建立擬建橋梁工程河段平面二維水流數(shù)學(xué)模型，計(jì)算分析橋梁工程實(shí)施后橋區(qū)河段水動(dòng)力條件變化情況、紊流分布及橫流情況。

研究表明大橋建設(shè)后，三年一遇行洪流量下，橋址處表面流速為2.0～2.2m/s，橫流值為0.01～0.06m/s；河槽內(nèi)因過水?dāng)嗝婵s窄，局部流速略有增加，增加幅度在0.25m/s 以內(nèi)，對(duì)工程河段水流流場整體影響不大。橋墩周圍2.0m 范圍內(nèi)由于水流繞流運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生紊流，但紊流流速較小，對(duì)航道內(nèi)船舶航行安全不會(huì)產(chǎn)生影響，滿足運(yùn)河通航標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)要求。