甬江感潮河流桥梁群对防洪纳潮累积影响

褚晓岑，唐洪武，袁赛瑜，陈 珺

(河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏南京 210098)

甬江流域共建有7座过江桥梁，分布在姚江、奉化江和甬江等感潮河流上(图1)，其中江厦桥、解放桥、新江桥、甬江大桥和外滩大桥等5座桥梁在河道内设有桥墩。桥墩会引起附近水域河床阻力、水流流态、流速分布及过流能力等发生变化，并对河势稳定和防洪纳潮安全带来一定影响，特别在水位、流速随时间周期性变化的感潮河段，水动力条件更为复杂。

赵淳逸［1］以甬江大桥为例，分析了桥墩对潮流场的影响。潘仁友［2］分析了惊驾桥对三江口河道流速、水位、纳潮量的影响。Li等［3-5］针对单个桥墩对水流的影响进行了数值模拟研究。除了单座桥梁的影响，桥梁群对河道水流的累积影响也越来越受到关注。李振青等［6］研究了长江下游世业洲汊道段岸线上所有桥梁码头等涉水建筑物对该河段防洪的累积影响，发现涉河工程群在长江洪水时会引起整个河段水位明显抬高。张细兵等［7］选取武汉河段和扬中河段作为代表性河段，分析了桥梁群和码头群两类主要涉河工程群对河道洪水水位及流场的累积影响，结果表明，当群体工程的影响积累到一定程度，会造成整个河道水位普遍壅高、主流线摆动及汊道分流比变化，从而可能对河道的行洪与河势稳定带来不利影响。英晓明等［8-13］建立了感潮河流的数学模型以研究感潮河流的水流特征。目前对于桥梁群累积影响的研究多为定性分析，且水流条件相对简单;而感潮河流水位和流速随时间周期性变化，加上桥梁群阻水影响，水流条件非常复杂。本文采用二维非恒定流数学模型研究甬江感潮河流桥梁群对河道防洪纳潮的累积影响。

1 模型建立

1.1 基本控制方程

本文使用Delft3D模型的Flow水动力模块进行三江口的水流计算。Delft3D模型具有计算稳定、精度高等特点，其水动力模型可用于模拟二维或三维非恒定流，其控制方程组成如下。

a.水流运动连续性方程:

b.曲线网格坐标系下ξ、η方向动量方程:

ξ方向(水平方向)

η方向(垂直方向)

1.2 网格布置和参数率定

模型采用交替方向隐式差分格式对方程进行离散求解，计算范围从上游姚江的姚江大闸(边界1)和奉化江的澄浪堰(边界2)开始，一直到甬江入海口(边界3)，全长约32 km(图1)。采用非均匀正交曲线网格坐标系统，根据研究区域的重要程度以及局部水流复杂情况确定网格剖分精度。纵向网格宽度为15～70m，网格节点数为732个;横向网格宽度为15～60 m，网格节点数为132个。在岸线剧烈变化处边界附近模型网格正交性稍差，其他区域网格节点基本保持正交，正交偏差±3°。桥墩分为两类:(a)主桥墩，由于尺寸较大，与计算网格尺度相当，因此直接将桥墩所在的网格节点作不过水处理;(b)其他桥墩，采取修改地形和糙率的方法进行概化［14-15］。滩槽采用不同糙率反映其不同的床面阻力，河槽糙率取n=0.018～0.020，滩地糙率取n=0.03～0.05［16］，时间步长取为6 s。

图1 三江口桥梁群分布Fig.1 Distribution of bridges in Sanjiang Estuary

2 模型验证

2.1 实测资料

地形资料采用宁波水文站2010年的实测数据。开边界条件采用2010年7月12日12:00至13日15:00和2010年7月20日12:00至21日15:00历时27 h的整点实测大、小潮潮位和流速资料。入口边界条件采用姚江和奉化江实时潮位，出口边界条件采用甬江实时流量。对2010年7月12日和20日2次实测的大、小潮水流进行二维非恒定流数学模型计算，使用三江口、镇海水利局处水尺得到的实时潮位以及断面DM1、DM2的流速及流向实时数据对该模型进行验证。

2.2 潮位验证

三江口水文站、镇海水利局站实时潮位验证结果如图2所示。潮位基面为85基面。验证结果表明:计算潮位的相位和潮位值与实测潮位吻合良好，相位误差小于0.25 h，水位值误差小于0.15 m。

图2 潮位站潮位验证Fig.2 Verification of tide levels at tidal stations

2.3 流速流向验证

断面DM1、DM2的水流流速和流向验证结果如图3、图4所示。图中，二维非恒定流数学模型较好地复演了流域范围内的潮流运动过程，模型计算所得的流速、流向和相位与实测值基本吻合。可见，本文所建二维非恒定流数学模型能较好地模拟感潮河流的非恒定流水流运动情况，可以用来预测桥梁群对感潮河流水流的累积影响。

图3 流速验证Fig.3 Verification of flow velocities

3 模型计算及结果分析

3.1 模拟方案

使用验证后的甬江二维非恒定流数学模型使计算不同洪潮组合条件下不同桥梁组合对甬江水流的影响。潮洪工况如下:工况1，5 a洪水流量+100 a潮位;工况2，100 a洪水流量+5 a潮位。边界条件见图5，姚江和奉化江选用潮位边界，甬江选用流量边界。3种桥梁组合分别为:方案1，单座桥梁影响，选取甬江大桥;方案2，2座桥梁影响，选取甬江大桥和外滩大桥;方案3，桥梁群影响，选取5座涉水桥梁共同作用的情况。

图4 流向验证Fig.4 Verification of flow directions

图5 2种工况下的边界条件Fig.5 Boundary conditions under two hydrological conditions

表1为5座涉水桥梁的桥墩情况，表中阻水面积比由百年一遇洪水条件下得到。甬江大桥、外滩大桥、新江桥便桥因桥墩尺寸较大，桥墩所在的网格节点作不过水处理;解放桥和江厦桥由于桥墩尺寸很小，采取修改地形和加大糙率进行概化。

表1 桥墩尺寸统计Table 1 Dimensions of bridge piers

3.2 流速变化

桥墩对流场的影响一般在潮位涨急和落急时最为明显，本文选取涨急和落急时刻的流速分别进行比较，并以工况1为例。为体现桥梁群对水流的累积影响，选取甬江大桥上游100 m处DM3和下游100 m处DM4进行平均流速比较，见表2，表中流速变化相比于无桥梁情况增加为正，减小为负。图6为工况1不同桥梁组合下涨急和落急的等流速线图。

3.2.1 单桥影响

如图6所示，单座桥(甬江大桥)主要影响在桥位近区，桥墩的阻水作用造成局部水流改变。工况1，涨急时上游流速增大，下游流速略有减小;落急时上游流速略有减小，下游流速增大，距离大桥越近所受影响越明显。桥墩对上下游一定范围内的水流都有影响。涨急时上游受影响的范围约为1 km，下游受影响的范围较小，约为0.4 km;落急时上游受影响的范围约为0.5 km，下游约为0.8 km。由于大尺寸桥墩有束窄河道的作用，甬江大桥桥墩偏向右岸，过水面积变小且水流偏于左侧。由于桥墩阻水，桥墩右侧形成马蹄状水流;桥墩后方流速减小，且水流状态比较复杂。

图6 工况1涨急、落急时刻流速对比Fig.6 Comparison of flow velocities during flood and ebb tides in case 1

表2 流速变化统计Table 2 Velocity variations of all cases

3.2.2 两桥影响

对比两桥与单桥的计算结果发现，由于甬江大桥和外滩大桥的累加影响，导致不管是涨急还是落急，位于两桥同一侧的DM3流速变化幅度都比单桥的要大。而甬江大桥和外滩大桥对两桥中间区域水流的影响是相反的。在甬江大桥的影响下，外滩大桥的存在增大了涨急时DM4的流速，甚至使该断面流速较无桥时都有所增加，同时减小了落急时DM4的流速。两座桥的影响区域较一座桥时有所增大，涨急时影响区域延伸到甬江大桥上游约2 km，外滩大桥下游约0.5 km;落急时延伸到甬江大桥上游约0.8 km，外滩大桥下游约1.5 km。由此可知，两桥对水流的累积影响与单桥影响相比有明显增加，甚至改变了单桥时流速的变化趋势。外滩大桥桥墩偏向左岸，与单桥影响类似，过水面积变小且水流偏于右侧。

3.2.3 多桥影响

与单桥和两桥相比，由于新江桥和江厦桥位于DM3的上游，对该断面流速的影响与下游两座大桥的影响相反，削弱了方案1及方案1对于该断面流速的影响程度。而在DM4则加强了甬江大桥对该处流速的影响，而削弱了外滩大桥的影响。多座桥梁叠加产生的影响范围远远大于单桥和两桥，涨急时影响范围上游延伸到奉化江边界处，下游延伸到外滩大桥下游约5 km处;落急时延伸到甬江大桥上游约1.5 km处，外滩大桥下游约8 km处。由于新江桥和解放桥的影响，涨急时，姚江的流速大幅降低，奉化江和甬江流速有所增大;落急时，姚江和甬江流速有所减小，奉化江流速变化不明显。

3.2.4 潮洪影响

大潮小洪，涨急时影响范围上游延伸到奉化江边界处，下游延伸到外滩大桥下游约5 km处;落急时到甬江大桥上游约1.5 km处，外滩大桥下游约8 km处。大洪小潮，涨急时影响范围上游延伸到奉化江澄浪堰处，外滩大桥下游约4 km处;落急时到甬江大桥上游约1 km，外滩大桥下游约5 km。可见，大潮小洪时的影响范围大于大洪小潮。涨急时，大潮小洪时的流速明显大于大洪小潮;落急时，2种工况的计算结果差异不明显。总的来说，桥梁群对大潮小洪情况下流速影响要大于大洪小潮情况。

3.3 水位壅高

分析桥梁群对水位的影响，选取水位最大值时刻绘制各方案的水位等势线，见图7和图8。工况1，单座桥梁影响下涨潮时甬江大桥上游水位降低，下游壅高:DM3处水位降低1%，DM4处水位壅高0.1%。落潮时水位变化与涨潮时相反，水位壅高影响范围约为甬江大桥上游4 km至下游5 km。两桥影响下，甬江大桥上下游水位均有所提高，DM3处水位提高约0.05%，DM4处水位提高0.5%，影响范围则为甬江大桥上游约8 km处至外滩大桥下游约6 km。这是由于外滩大桥和甬江大桥叠加影响，导致外滩大桥上游水位壅高比较明显。多桥影响下，DM3处水位壅高1.2%，DM4处水位壅高1.1%，明显大于单桥和两桥的影响。影响范围延伸至二维非恒定流数学模型上游边界处，下游达外滩大桥下游约15 km。可见，桥梁数越多，水位壅高越明显，影响范围越大。对比不同水文条件下桥梁群计算结果发现，与流速变化情况类似，桥梁群在大潮小洪情况下水位变化较为明显。

图7 工况1无桥梁及3种桥梁组合的水位等势线Fig.7 Comparison of water levels without bridge and with combination of three bridges in case 1

图8 工况2无桥梁及3种桥梁组合的水位等势线Fig.8 Comparison of water levels without bridge and with combination of three bridges in case 2

4 结 论

感潮河流甬江上建有多座过江桥梁，对甬江水流形态和行洪纳潮能力产生一定的影响。本文使用Delft3D建立了甬江平面二维非恒定流数学模型，开展了典型洪水和潮汐条件下桥梁群对甬江水流流速和水位的影响研究。结果表明:单个桥梁对水流的影响主要在桥位近区;两桥对同在两桥上游或下游区域的水流产生累加效应，而对两桥之间区域水流的影响有相互削弱的作用;桥梁群因影响范围的重叠而产生累积影响，且增加了对水流的影响范围。桥梁群的存在也将改变河道的水流形态，对流场产生一定的影响。通过对不同潮洪条件下水流的比较发现，在大潮小洪条件下桥梁群对甬江流域水流的影响较大洪小潮条件下更为明显。桥梁群的影响并不是单个桥梁影响的简单叠加，涉水工程在评估时需要考虑河段内其他工程和水流条件，尽量减少工程群的累积影响。

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