蚌埠淮河铁桥壅水研究的回顾

毛世民 陈先朴

（安徽省·水利部淮委水利科学研究院 蚌埠 233000）

1 前言

蚌埠淮河铁桥是千里淮河第一桥。由英国工程师设计，1908年开始查勘选址，经过对临淮关、荆涂二山间及蚌埠三处进行比较后，选定河床有岩石出露的蚌埠北岸孙台子到南岸小南山一线，采用固定式桁梁桥。设计桥长572m，9孔8墩，孔距61m，梁底高于设计水位10.7m。淮河比降平缓，建桥壅水延伸较远。近30年来，从涡河口到沫河口40km河段已先后建起8座桥梁，还有几座桥梁仍在规划中。因而建桥壅水对防洪的影响受到关注，列为研究课题，开展原型观测。老铁桥所处河段的边界条件和水流条件较为复杂，影响壅水的因素多。原型观测难以“隔离”出桥墩壅水值，获取有用信息。本文回顾有关研究概况，介绍铁桥所处淮河蚌埠段的水流特性，提出用数学模型研究桥梁壅水和防洪影响评价的建议，供有关方面参考。

2 研究概况

1980 年，淮委规划设计院用矩形河槽水流能量方程及已有的桥墩壅水研究成果，得出设计洪水下，蚌埠老铁桥壅水0.11m，估计壅水影响可达正阳关，增加防汛压力，消除这一壅水影响的河道整治工程（退堤、切滩）的土方量约400 万 m3。

1986 年，安徽水科院进行了蚌埠老铁桥气流整体模型试验、气流断面模型试验和水流断面模型试验，三者成果基本一致，推算得出：蚌埠河段整治前，桥梁壅水为0.025m～0.04m，整治后为0.01m。

1997 年，安徽水科院淮河中游河床演变研究课题分析得出：铁桥所处的淮河蚌埠段的中段，即席家沟至吴家渡长3.4km的河段，受深泓弯曲、岩基礁石挑流及桥墩阻水的共同作用，呈现流向偏斜、回流挤压、单宽流量集中的复杂流态，导致局部损失增大，成为行洪的瓶颈，岩基礁石挑流的摩阻损失最大并增大桥墩阻水。

1997 年，安徽水科院淮河中游河床演变研究另一项课题“淮河蚌埠段水力特性数学模型研究”，限于当时台式计算机的运算能力，没有采用数学模型手段计算桥墩阻力，而是参考安徽水科院原有的物理模型研究成果，以加大铁桥上下游河床糙率的方法考虑桥墩阻力影响。铁桥下游100m范围内糙率值按河床糙率的2倍计算，铁桥上游礁石处糙率取0.06，使得数学模型计算的桥墩阻力与原有的物理模型研究成果基本一致。

1999 年，“淮河蚌埠段河道整治数学模型”，同样没有采用数学模型手段计算桥墩阻力，而是按照指定的每个桥梁壅水3cm，以加大桥梁上下游河床糙率的方法考虑桥墩阻力的影响。

2006 年以来，对蚌埠铁路复线桥壅水进行了原型观测，但没有取得有实用价值的成果。

上述研究结果，不尽一致。研究的难度在于：（1）桥梁壅水受三维水流流态和桥墩形状尺寸影响，其数值以mm计，对原型观测和模型试验的精度要求高；（2）桥梁壅水的防洪影响评价是针对大洪水，原型观测只有遇到流量大于6000m3/s的水情才有意义，在预定的观测期间，不一定能遇到这种水情，除非大洪水来临时，组织观测；（3）壅水受多种因素影响，原型观测不能将桥梁壅水“隔离”出来；（4）研究壅水影响长度和对防洪影响，模拟的河段要有足够的长度（上百公里），使用物理模型的费用很大；（5）用数学模型模拟桥墩形状需提高计算机的运算能力和选取模型的计算参数。做好这项研究需要总结经验，探讨如何利用物理模型和数学模型相结合的途径，或单独依靠数学模型解决桥梁壅水问题以确定壅水高度、影响长度，评价建桥的防洪影响及需要采取的工程措施。

3 河道概况

淮河蚌埠段，上至蚌埠闸，下至龙子河口，长约12.4km，按照防洪规划：设计洪水流量13000m3/s，吴家渡水位22.6m，蚌埠闸下水位23.1m；蚌埠闸下至吴家渡水位差0.5m；洪水水面比降0.0000555。为了达到规划要求，需要实施退堤、切滩等一系列整治工作。

表1 矩形河槽壅水影响计算

河道自蚌埠闸下至席家沟为顺直微弯，再下为两个反向弯段，深泓线弯曲半径分别为800m和3000m。按照河道形态可将这一河段分为上、中、下三段（图1）。上段（蚌埠闸下至席家沟）长约5.6km；中段（席家沟～吴家渡）长约3.4km；下段（吴家渡～龙子河口）长约3.4km。枯水期水位低于13m时，可以看到铁桥南岸有大片岩基礁石露出。实测河道地形图显示，铁桥处在中段深坑中，最低点接近0高程。其上下游深泓高程在5m以上（图2）。12m和10m等高线向北突出约100m（图3），对于水流有类似丁坝的挑流作用，使南岸流向偏斜，伴有大片回流，导致单宽流量集中系数高达2.5～2.7。根据1972～1984年1#水尺（蚌埠闸下）、2#水尺（铁桥上游1500m）、3#水尺（吴家渡）的观测资料，洪峰附近的水面比降 ：1#～2#间 为 0.000034；2#～3#间 为0.000066；1996年加测郑家渡水位（4#水尺），得到 3#～4#间水面比降为0.000056。这一组数据表明2#～3#间，即铁桥上下约2.9km河段的局部摩阻集中，是行洪的瓶颈。

4 阻水因素分析

铁桥河段的阻水因素主要有：主流弯曲、岩基礁石挑流、桥墩及断面变化等。已有试验研究表明，如来流均匀，老铁桥壅水不超过2cm。铁桥上下的高水位差是多项阻水因素综合作用的结果，不能归于桥墩壅水。岩基礁石挑流不仅本身摩阻损失大，而且造成流向偏斜及单宽流量集中，加大桥墩阻水和水流弯曲，是铁桥河段壅水的主要成因。

参考有关丁坝壅水、桥墩壅水及弯曲段水力损失的研究成果，计及水流分布的不均匀性，粗略估算现状边界条件下通过Q=13000m3/s的局部摩阻损失：桥墩——0.04～0.05m；主流弯曲——0.04～0.05m；岩基礁石挑流——0.06～0.07m； 三 者 合计——0.14～0.17m。

5 壅水影响长度

壅水影响长度L随壅水高△h。影响值△h、河段糙率n、坡降i、水深h、河宽B、流量Q等因素而变化，可通过数学模型确定。为了取得量的概念，陈先朴曾用概化的一维恒定缓变流运动方程估算。

举例：对于流量Q=13000m3/s，河宽B=1000m,糙率n=0.025，计算的矩形河槽壅水影响长度见表1。

可见对于坡降平缓的淮河，壅水影响长度很大。多座桥梁的壅水影响值会产生叠加，对防洪的影响不容忽视。

6 桥墩壅水数学模型验证计算

前几年国内外桥梁壅水的数学模型比较粗糙，网格很粗，桥墩形状达不到相似，不能准确模拟壅水高度。其壅水高度不是依靠数学模型计算得出，而是将数学模型计算的壅水高度凑到水力学计算公式或者物理模型试验的成果上。当时的困难在于，要满足一定计算精度必须划分较密的网格，因此需要性能较高的计算机和较多的经费。

台式计算机的进步，为单独依靠数学模型解决桥梁壅水问题提供了可能。2009年，陈先朴为建议用数学模型研究淮河蚌埠段建桥的防洪影响进行了前期研究。通过加密桥墩附近计算网格（图4），调整桥墩上游100m到下游200m范围内的紊动粘性系数，取得的模拟流速分布、流速向量、流态、水位、水面线、壅水高度与二元水槽试验成果一致（图5～6）。说明目前使用普通台式计算机，已经可以对淮河蚌埠段各个桥梁进行精确的模拟计算。对多座桥梁联合作用下壅水影响范围和消除影响的工程措施研究，如果使用高级计算机，也可以在同一个数学模型中完成。如果使用普通台式计算机，则分别计算每个桥梁的壅水，然后用一般网格密度的河道数学模型，解决多座桥梁联合作用下壅水影响范围和消除影响的工程措施。在此数学模型上，桥梁用200m河段增大河床糙率代替，使各桥梁壅水与前面分别计算的精确桥梁壅水数学模型计算出来的结果一致，方法经济、快速、灵活、精确。

7 结语和建议

蚌埠老铁桥所处河段的边界条件和水流条件比较复杂，增加了桥梁壅水研究的难度。要取得满意的成果，必须与河道水流特性研究结合，采取合理的研究方法。原型观测受多种因素的限制，得到的信息不多，难以将桥墩壅水从河段壅水中“隔离”出来；物理模型研究，要求正态或小变态、大比尺，如预报影响长度，模拟的河段很长，相应的费用较大；数学模型软硬件的进步，为单独依靠数学模型解决桥梁壅水问题提供可能，建议用于研究淮河老铁桥与其他桥梁壅水和防洪影响评价