輸水明渠橋梁群壅水影響數值模擬分析

摘要：為研究城市輸水明渠橋群產生的壅水影響問題，以成都市重要輸水明渠東風渠為例，建立了東風渠涉水橋梁群的平面二維水動力數學模型，分析了橋梁座數、橋梁間距、明渠流量對橋梁群壅水的影響，以及明渠壅水與橋梁座數、距離的函數關系。結果表明：橋梁壅水與橋梁個數、距離及流量密切相關，即隨著明渠上游橋梁個數的增加，上游壅水高度相應增加；隨著橋梁間距離增大，明渠上游壅水高度相應減小；隨著設計流量增大，上游壅水高度相應增大。明渠平均壅水高度與橋梁座數、橋梁距離均呈對數函數分布，且當流量增加時，壅水效應明顯。

關鍵詞：輸水明渠； 橋群； 壅水； 水動力數學模型； 東風渠

中圖法分類號：TV68

文獻標志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.12.013

文章編號：1006-0081（2023）12-0076-06

0引言

橋墩壅水作為一個傳統的水力學問題，逐漸成為城市河道或渠道行洪排澇關注的熱點。單座橋梁引起的壅水范圍及高度往往有限，但密集布置在城市河道或渠道上的橋群，極易產生累積效應，導致兩岸水位壅高，削弱河道行洪或渠道輸水能力，已經嚴重影響到城市涉河交通建設的進一步發展［1-2］。

關于橋墩壅水問題，常見的有經驗公式、物理模型及數值模擬等研究方法。現階段，物理模型雖能直觀地模擬墩前壅水和河道流態，但成果推廣受到經驗性限制。經驗公式方法雖簡單便捷，但只能用以粗略求解橋前壅水值以及壅水影響范圍。對于復雜的河道和橋梁問題，不同公式用在不同橋梁中計算偏差較大［3］。隨著近代計算機技術的不斷進步，水動力數值模型得到了廣泛的應用。目前，對于單個橋墩壅水影響的研究較多，而對橋群引起的壅水影響研究較少［4-8］。袁玉等［9］利用HEC-RAS的橋梁壅水計算模型，以重慶市向陽水庫國道復建工程中的兩座橋梁為研究對象開展實例研究。任梅芳等［10］通過MIKE 21對海南南渡江橋群壅水影響進行研究，并對數值結果與實測值及經驗公式值對比，認為數學模型能夠較好地模擬復雜地形，得到更加合理的計算結果。王恒山［11］通過數學模擬方法研究了河南省漯河市城區跨沙河高密度橋梁河段的壅水影響問題，研究發現橋梁對其上游水位的影響與橋墩的形狀、數量密切相關。吳時強等［1］通過數值模擬方法對南京市秦淮河橋梁群形成的疊加阻水效應進行研究，研究發現橋群阻水效應隨橋梁座數增加而增大，隨著橋群距離增大而減小。

本文以成都市輸水渠道東風渠為例，建立上游電站水閘-金芙蓉大道典型段約4.5 km輸水明渠二維水動力數學模型，以研究橋梁座數、橋梁間距、明渠流量對壅水的影響。

1研究區域概況

東風渠位于四川成都市，總干渠全長54.30 km，設計流量80 m³/s，河寬25～40 m，河底寬10～20 m，河底高程507～514 m。東風渠取水樞紐在進水樞紐閘（府河閘）左岸取水，其主要水源來源于岷江流域，流經成都市的郫縣、新都、金牛、成華、龍泉等區縣，對成都市經濟社會和文化的繁榮做出了巨大貢獻［12-13］。由于東風渠涉水建筑物較多，尤其以各種形式橋梁居多，這些橋梁建設增加了河道的阻水面積，造成渠道輸水能力減弱，加之渠道淤積嚴重，現狀過流流量僅15 m³/s，嚴重影響城市生活及農業灌溉需要。因此，為研究城市輸水明渠橋群壅水影響，本文選取東風渠上游電站水閘-金芙蓉大道典型段開展橋群壅水影響研究。該典型渠段共有8座橋梁，依次包括100號橋、101號橋（云板橋）、102號橋（清夏橋）、橋98、橋97（S105省道）、103號橋、104號橋及105號橋（圖 1）。其中，橋97（S105省道）橋墩設置在堤岸不涉水，其余7座橋梁均涉水，由于102號橋（清夏橋）橋墩位置調查信息丟失，因此研究渠段橋梁為6座。同時，涉水橋梁除橋98為4排布置的圓墩外，其余橋梁的橋墩布置形式及形狀多為雙排布置的方形墩。除橋98為半徑05 m的圓墩外，其余橋梁的方墩尺寸均為05 m×0.5 m，具體研究渠段各涉水橋梁相關參數見表1。

2數學模型及計算條件

為定量研究東風渠橋群壅水影響，本文建立了東風渠電站水閘-金芙蓉大道典型段二維水動力數學模型，展開涉水橋群壅水影響模擬研究。

2.1數學模型

控制方程分為連續方程與動量方程［1，14］：

2.2計算條件選取

2.2.1計算范圍及網格劃分

考慮到東風渠干渠較長，且渠道兩岸布置較多水閘、渡槽及橋梁等涉水建筑物，加之部分渠段河床淤積嚴重，導致整個河段水文及地形等因素復雜，為簡化研究，選取東風渠上游電站水閘-金芙蓉大道典型段為本文模型范圍，總長度約為4.5 km，見圖2。計算網格選用邊界擬合度較好的三角形非結構網格，見圖3。網格劃分整體網格尺度為2.0 m。同時，考慮到模擬渠段不同布置及形狀橋墩存在，對橋墩附近網格進行3層局部加密，加密尺度從內到外分別為0.1，0.2，0.5 m，以更加精細地反映橋墩對其附近水流的影響。以6座涉水橋梁均存在的實際現狀為例，模型網格劃分個數為76 806個。

2.2.2計算邊界及水位條件

模型邊界條件采用上游為流量邊界，下游為水位邊界。渠道沿線橋梁較多，對現有橋墩采用不過水邊界處理。同時，計算邊界及水位條件采用現狀條件與設計條件兩種情況。其中，現狀條件上游流量Q為15 m³/s，下游水位h為509.512 m；設計條件上游流量Q為80 m³/s，下游水位h為510.704 m，見表2。

2.3模型驗證與率定

根據現狀條件對模型進行驗證與率定，采用鄰近研究渠段橋梁處測量斷面水位進行模型驗證（部分橋梁位置與測量斷面較遠，則不采用該橋梁處水位進行驗證）。根據相關研究［15］，東風渠底部及兩側采用混凝土漿砌板覆蓋，故模型率定選用糙率n為0.008～0.016。經過率定，當糙率n為0.01時，模型計算得到的水位誤差在±2.0 cm以內，可采用建立的數學模型進行橋墩壅水影響的二維水動力模擬計算（為便于研究，本文不考慮不同的流量與橋墩數量情況下，阻水情況差異引起的渠道整體糙率變化的影響），具體驗證結果見表3。

3橋群壅水影響分析

3.1計算工況

河道或渠道連續布置多座橋梁時將引起上游壅水形成累積效應，橋墩的布置形式、個數及間距等均對壅水效應產生影響。因此，需要對橋梁座數、間距及流量進行設置，具體模擬工況見表4。

3.2橋梁座數

橋梁座數變化將不同程度影響河道產生壅水影響。本文分別考慮無橋梁（天然渠道）、橋梁座數為1，2，3，4，5，6時渠道沿程的壅水變化，以定量分析不同橋梁座數對渠道壅水累積影響。

如圖4所示，在現狀流量Q=15 m³/s情況：① 當單座橋梁105號橋存在時，整個渠道壅水沿程升高，并在105號橋附近形成最大壅水高度為5.8 cm。② 當橋梁105號橋與104號橋這兩座橋存在時，整個渠道壅水沿程升高，并分別在105號橋與104號橋附近形成最大壅水高度為5.4 cm與9.5 cm。③ 當橋梁105號橋、104號橋及103號橋這3座橋存在時，整個渠道壅水沿程升高，并分別在105號橋、104號橋及103號橋附近形成最大壅水高度為4.9，8.7 cm及5.3 cm。④ 當橋梁105號橋、104號橋、103號橋及橋98這4座橋存在時，整個渠道壅水沿程升高，并分別在105號橋、104號橋、103號橋及橋98附近形成最大壅水高度為4.8，8.6，4.9 cm及3.8 cm。⑤ 當橋梁105號橋、104號橋、103號橋、橋98及101號橋這5座橋存在時，整個渠道壅水沿程升高，并分別在105號橋、104號橋、103號橋、橋98及101號橋附近形成最大壅水高度為4.8，8.5，4.9，3.7cm及1.0 cm。⑥ 當橋梁105號橋、104號橋、103號橋、橋98、101號橋及100號橋這6座橋存在時，整個渠道壅水沿程升高，并分別在105號橋、104號橋、103號橋、橋98、101號橋及100號橋附近形成最大壅水高度為4.8，8.4，4.8，3.6，1.0，1.1 cm。

可以看出，無論單座橋梁或多座橋梁存在，渠道沿程壅水并非光滑上升曲線，而是除在橋址處存在明顯的壅跌水外，沿程均存在壅水起伏波動情況，這說明渠道地形或形態也對壅水產生一定影響，尤其從102號橋（清夏橋）處壅水現象可知，102號橋橋墩信息丟失，數學模型中均未在渠道中設置該橋，但在該橋處仍形成明顯的壅水。通過檢查地形發現，由于渠道淤積嚴重，在橋址斷面兩岸側形成了高阻水的隘口，造成即使沒有橋墩阻水，僅受地形影響就在橋址處產生了明顯的壅水現象。同時，從上述分析可知，隨著橋梁座數增加，下游橋梁對上游橋梁的壅水有增加效應，上游橋梁對下游橋梁的壅水影響有減小效應，尤其在兩座橋梁距離較近、下游橋梁位于上游橋梁的跌水區時，下游橋梁的壅水高度將出現一定程度的減小，但橋梁座數的增加將使整個渠道平均壅水高度呈增加趨勢。

如圖 5所示，在設計流量Q=80? m³/s情況：① 當單座橋梁105號橋存在時，其并未與現狀流量Q=15? m³/s情況呈現的壅水現象相同，其在105號橋處壅水值為4.1 cm，出現比現狀流量情況壅水值5.8 cm小的情況，但在橋98與103號橋之間出現3處壅水峰值，且壅水值大于5.8 cm。從地形來看，雖然橋98與103號橋不存在，但在該渠段兩岸側存在局部較高高程區域，在較大流量情況下，阻水效應增加，產生類似橋墩阻水的壅水效應。② 當橋梁105號橋與104號橋兩座橋存在時，橋址處壅水分別為4.1 cm與11.4 cm，同時在橋98與103號橋之間出現3個壅水峰值。③ 當橋梁105號橋、104號橋及103號橋3座橋存在時，橋址處壅水分別為32，10.4 cm及12.5 cm。可以看出上游橋梁增加將減小下游橋梁壅水，而下游橋梁存在將增加上游橋梁壅水。在橋98與103號橋之間出現3個壅水峰值。④ 當橋梁105號橋、104號橋、103號橋及橋98存在時，分別在105號橋、104號橋、103號橋及橋98附近形成最大壅水高度為2.8，9.8，11.7 cm及11.7 cm，102號橋與103號橋之間出現多個壅水峰值，且在102號橋之前產生明顯的渠道整體壅水抬高情況。⑤ 當5座橋與6座橋存在時均出現類似現象。同時，可以看出橋梁座數的增加將對渠道平均壅水影響起到增加效應，且大流量情況時，渠道地形的影響將起到更加明顯的作用，也說明東風渠渠道淤積對輸水的影響是不可忽略的因素之一。

3.3橋梁距離

本文以兩座橋梁不同距離為例，通過固定下游105號橋，依次向上游增加單個橋梁，以分析橋梁距離對壅水的影響。如圖6與圖7所示，現狀流量Q為15 m³/s時，兩橋距離為353，918，1581，2 438 m及3 416 m時，上游橋梁壅水分別為5.0，18，1.0，0.2，0.5 cm。對于設計流量Q為80 m³/s時，兩橋距離為353，918，1581，2438 m及3416 m時，上游橋梁壅水分別為6.5，4.7，4.2，1.0，1.8 cm。首先，可以看出，壅水隨著橋梁距離增大呈減小趨勢，尤其當距離大于2 000 m后，壅水基本保持在1 cm左右。同時，隨著流量的增大，兩橋之間的壅水影響增加明顯。

3.4影響因子響應關系分析

為了明晰壅水高度與橋梁座數、橋梁距離及明渠流量之間的響應關系，對不同流量情況下壅水與橋梁座數、距離函數關系進行擬合分析。如圖8所示，隨著橋梁座數增加，研究渠道平均壅水高度呈增加趨勢，其平均壅水高度與橋梁座數之間呈對數響應關系。同時，當流量增加，壅水效應增加明顯。如圖9所示，隨著橋梁距離增加，上游橋梁處壅水高度呈減小趨勢，其平均壅水高度與橋梁個數之間呈對數響應關系。同時，當流量增加，壅水效應增加明顯。

4結論

本文通過建立二維水動力模型，采用實測資料與數值模擬方法研究了成都市東風渠典型渠段橋梁壅水影響，對不同橋梁個數與不同橋梁距離情況下渠道壅水影響進行模擬研究，研究成果可為橋梁壅水研究提供參考，研究結論如下：

（1） 橋梁座數增加將增大上游橋梁處壅水，對下游橋梁處壅水影響有減小效應，但橋梁座數增加將使得整個渠道的平均壅水高度增加。不同設計流量情況下，當橋梁座數從1座增加到6座時，其平均壅水高度增加幅度達26.7%～48.2%。同時，橋梁座數與渠道平均壅水高度之間符合對數函數關系。

（2） 隨著橋梁間距離增加，其壅水也逐漸減小。以兩座橋為例，當距離大于2 000 m后，壅水基本保持在1 cm左右。同時，橋梁距離與渠道壅水高度之間也符合對數函數關系。

（3） 隨著流量增大，渠道不同橋梁處壅水明顯增大，且隨著流量增大，地形在壅水影響中起到不可忽略的影響。對于東風渠工程中，不僅橋梁存在對渠道壅水產生一定影響，渠道淤積也將對壅水產生較大影響，因此，建議著重考慮渠道清淤處理，以增加渠道輸水能力及減小漫堤風險。對于國內沿江城市，大量橋梁的建設將對城市防洪產生一定影響，定期的河道清淤將對航道及防洪產生有利影響。

參考文獻：

［1］吳時強，薛萬云，吳修鋒，等.城市行洪河道橋群阻水疊加效應量化研究［J］.人民黃河，2019，41（10）：96-102.

［2］滕兆明，王永紅，班玉龍，等.平原河網圩區超標準洪水防御對策研究——以昆山市為例［J］.水利水電快報，2022，43（9）：8-12.

［3］王玲玲，張鳳山，唐洪武.平原河道橋墩阻水比與壅水特性關系［J］.河海大學學報（自然科學版），2016，44（5）：386-392.

［4］閆杰超，徐華，焦增祥.基于動量守恒的橋墩壅水預測及數值模擬［J］.人民長江，2020，51（增2）：280-284.

［5］HUNT J，BRUNNER G W，LAROCK B E.Flow transitions in bridge backwater analysis［J］.Journal of Hydraulic Engineering，1999，125（9）：981-983.

［6］MOHAMED，AHMED，ABDEL，et al.Effect of erodible bed on backwater rise due to bridge piers only in case of subcritical flow［J］.American Journal of Water Science & Engineering，2016，2（2）：6-13.

［7］王濤，郭新蕾，李甲振，等.河道糙率和橋墩壅水對寬淺河道行洪能力影響的研究［J］.水利學報，2019，50（2）：175-183.

［8］韓露，張景新，魏清福，等.明渠流動條件下單圓墩阻水效應實驗研究［J］.水動力學研究與進展A輯，2015，30（2）：208-214.

［9］袁玉，巴歡歡，胡學東，等.基于HEC-RAS的水庫壩址上下游橋梁工程壅水計算分析［J］.水利水電快報，2023，44（1）：77-80，86.

［10］任梅芳，徐宗學，蘇廣新.基于二維水動力模型與經驗公式的橋梁壅水計算及其對比分析［J］.水力發電學報，2017，36（5）：78-87.

［11］王恒山.沙河密集橋梁群對河道行洪累積效應研究［J］.人民長江，2016，47（21）：4-8.

［12］白文斌，馮颯，萬忠海，等.既有渡槽結構安全監測系統分析與應用——以四川省東風渠灌區渡槽為例［J］.人民長江，2021，52（5）：218-222.

［13］馮颯，白文斌，王靈鴿.渡槽工程結構安全監測方案應用——以東風渠天宮橋渡槽和黎家溝渡槽為例［J］.水利與建筑工程學報，2020，18（2）：154-158.

［14］黃婷婷，榮艷淑，王冬梅.基于MIKE21 FM模型的退圩還湖工程湖區洪水特征分析［J］.水利水電快報，2021，42（10）：27-31，37.

［15］衛小麗，章少輝，白美健.灌區明渠糙率及其計算方法［J］.節水灌溉，2021（12）：14-20.

（編輯：江文）

Numerical simulation analysis of influence of bridge group on backwater in open channel

YAN Jiechao

（POWERCHINA Jiangsu Engineering Corporation Limited ，Nanjing 211100，China）

Abstract：In order to solve the problem of the backwater effect caused by urban open channel bridge group，taking Dongfeng Channel as an example，a two-dimensional hydrodynamic mathematical model of Dongfeng Channel bridge group was established，and the effects of the number of bridges，distance and discharge on the backwater effect of bridge group were analyzed.The results showed that the effect of bridge backwater was closely related to the number，distance and discharge of bridges，With the increase of the number of bridges upstream，the upstream backwater height increased correspondingly.With the increase of the distance between bridges，the height of backwater in the upper reaches of open channel decreased accordingly.The height of backwater increased with the increase of design flow.Based on the analysis of the relationship between the number of bridges，the distance of bridges and the change of flow on the effect of bridge group backwater，it was concluded that the average backwater height increased with the increase of bridge number，but decreased with the increase of bridge distance.At the same time，the backwater effect increased obviously when the discharge increases.

Key words：open channel； bridge group； backwater； hydrodynamic mathematical model； Dongfeng channel