沙河京广铁路大桥河段通航水流条件数值模拟

严 军，卓 飞，陈 建，田 磊，张丽娟

(华北水利水电大学，河南 郑州 450011)

沙河京广铁路大桥河段通航水流条件数值模拟

严 军，卓 飞，陈 建，田 磊，张丽娟

(华北水利水电大学，河南 郑州 450011)

沙河复航工程在漯河市推荐线上存在桥梁净空低于IV级通航标准，桥孔内局部水流流速超过设计要求，不满足通航水流条件的情况，需要对航道内的碍航桥梁进行改建。本文运用Mike软件建立沙河漯河市境内从上游泰山路彩虹桥下约200 m，到下游黄河路沙河桥下约500 m的京广铁路桥上下游河段的平面二维水沙数学模型，并根据实测设计洪水、最高通航水位和最低通航水位推求模型在漯河水文站的水位，与实测漯河水文站的水位进行对比，检验模型的适用性。利用所建立的平面二维水沙数学模型，对设计方案下航道内京广铁路桥桥墩附近流场、航道内水面线比降、航道内水流流速进行数值模拟计算，分析模拟河段的通航水流条件。计算分析表明，设计最高通航水位和设计最低通航水位情况下，京广铁路桥桥墩附近流场流速、航道内水面比降和横纵向流速均减小，设计主航道的水流条件符合IV级通航标准。

IV级通航标准；平面二维水沙数学模型；通航水流条件

1 研究背景

沙河复航工程是河南省公路、水路交通运输的重要组成部分，其中沙河从漯河至平顶山段航运工程位于沙颍河上游，规划通航标准等级为IV 级，但是在漯河市区段推荐线上现有桥梁为15座，除郑武高铁铁路桥可以双向通航以外，其余14座桥梁净空尺度都低于IV级通航标准，其中京广线铁路桥、漯阜铁路桥及范辛铁路桥均不满足通航要求，为碍航桥梁。为了使河段内的通航水流条件符合IV级航道标准，需要改建碍航桥梁。

从上游漯河市泰山路彩虹桥下约200 m起，到下游黄河路沙河桥下约500 m止的河段，水流条件的好坏关系到沙河复航工程能否顺利进行，且该河段内京广铁路桥为重要交通设施，对其进行改建难度较大。因此，选择京广铁路大桥上下游河段为模拟河段(如图1)，建立平面二维水沙数学模型[1-4]，应用数值模拟软件Mike对设计方案选定的河段进行数值模拟，分析通航水流条件。

图1 京广铁路大桥上下游模拟河段

2 设计方案概述

天然状况下，河段为窄深式河道，河谷形态主要呈“U”型，局部呈“V”型。设计方案是将河道开挖呈梯形断面，断面底宽为50 m，高程为49 m，边坡为1∶6，航道在金山路金山桥下游弯曲段部分进行航道的适当加宽。昆仑路交通桥、金山路金山桥原为城市桥梁，选择原桥址处改建，昆仑路交通路桥主桥采用系杆拱桥，跨径布置100 m，桥面改建后总宽为24 m；金山路金山桥主桥采用系杆拱桥，跨径布置110 m；京广铁路桥原为铁路桥，选择移位改建，桥梁改建为中间一跨100 m，两个边跨各跨宽都是48 m，通航净高为8 m，侧高5 m。

3 平面二维水沙数学模型及验证

3.1 二维浅水控制方程

根据京广铁路桥上下游模拟河段的实际问题，依据模型的二维控制方程和有关的定解条件，然后在满足定解的条件下，解出方程组。

(1)

(2)

(3)

3.2 流场定解条件

3.2.1 边界条件

(1)进口边界条件：进口开边界采用上游来流过程Q(t)=Qin(t)，Qin为开边界上流量。

(2)出口边界条件：本文采用下游的水位确定。

(3)陆地边界：在不考虑渗透的情况下，可以认为陆地边界上法向速度为零；根据水流无滑动原理，水体在陆地边界上的切向流速也应为零。

3.2.2 初始条件

3.3 数值模拟相关问题处理

(1)模型范围及地形边界

综合考虑水文资料、河势及工程研究内容等因素，选取京广线铁路大桥上游1.6km处和京广铁路大桥下游3.3km范围为模拟计算区域。

(2)模型网格剖分

根据研究问题的特点和数值计算速度和精度的要求，采用非结构三角形网格；在京广铁路桥及其附近的网格进行了加密，在相应昆仑路交通桥和金山路金山桥处桥墩附近网格也进行加密，网格数为24 653；其中，河道滩地范围内网格边长控制在5m以内，京广铁路桥等桥墩附近最小网格尺寸约0.25m，计算网格示意图如图2所示。

(3) 模型参数确定

河道二维数模计算所采用的糙率，是一个综合系数。根据收集的实测资料和模型的验证，主槽糙率为0.025～0.035之间，边滩糙率为0.035～0.05之间。

图2 计算网格示意

(4) 动边界处理

对计算区域内滩地干湿过程，采用水位判别法处理。

3.4 计算方案

为了能够更加准确地反映航道的通航水流条件，综合考虑频率洪水以及特征通航水位的差异，选择河道设计洪水和航道设计最高通航水位对应流量及最低通航水位不同计算工况作为模拟计算方案。其中，模型出口水位采用漯河水文站和漯河节制闸水位进行推算。具体数学模型计算方案特征流量和水位见表1。

表1 京广铁路桥河段数学模型计算方案特征流量和水位

本次数学模拟计算采用模拟河段漯河水文站的实测水位数据进行水位验证。根据漯河水文站的地理位置以及模拟计算结果查得相应位置处的水位。设计洪水位、设计最高通航水位及设计最低通航水位三种水位情况下，漯河水文站实际水位和按照设计方案断面调整后数学模拟计算水位的对比如表2所示。

数学模型在设计洪水位和设计最高通航水位条件下计算值与实测值比较吻合，误差在0.01 m，相对误差0.02%。在设计最低通航水位条件下误差为0.14 m，相对误差略大，主要原因是在实际情况下由于漯河节制闸的壅水作用使得漯河水文站的实际水位较设计水位偏高，而设计水位在漯河节制闸至漯河水文站都是56.00 m，没有考虑节制闸壅水的影响。所有工况水位相对误差均小于0.3%，表明本数学模型可以研究京广铁路桥典型河段的通航水流条件等工程问题。

表2 调整后漯河水文站实测水位和计算水位的对比

4 设计方案数值模拟计算成果分析

4.1 京广铁路桥断面处的流场分析

跨越河流的桥梁工程主要由于桥墩、桥台对水流的束窄阻水作用使局部水流流态发生变化，影响航道内的水流条件[5-7]。京广铁路大桥跨越沙河，其改建后，必会对河道上下游产生影响。为了分析京广铁路大桥改建后对通航条件的影响，选取桥墩附近的一系列点，分析设计方案中三种水位工况下京广铁路桥断面的流场(如图3)。

图3 三种特征水位情况下京广铁路桥断面的流场

三种特征水位情况下流场模拟结果如下。

(1)设计洪水情况下，桥墩前断面流速减小的幅度较小，最大减小0.08 m/s。桥墩后断面流速减小的幅度比较大，最大减小0.535 m/s。桥墩处流速减小的幅度也较大，最大减小0.645 m/s。

(2)设计最高通航水位情况下，桥墩前断面流速减小的幅度较小，最大减小0.27 m/s。桥墩后断面流速减小的幅度比较大，最大减小0.415 m/s。桥墩处流速减小的幅度也较大，最大减小0.537 m/s。

(3)设计最低通航水位情况下，桥墩前断面流速减小的幅度较小，最大减小0.218 m/s。桥墩后断面流速减小的幅度比较大，最大减小0.496 m/s，桥墩处流速减小的幅度也比较大，最大减小0.54 m/s。

分析表明：三种特征水位情况下，桥墩附近的流速减小了约15%。由于河道开挖加深，桥墩前断面、桥墩处、桥墩后断面水深均增大2 m左右。三种水位情况下，设计最高通航水位和设计最低通航水位的水流条件，基本可以满足IV级通航标准。

4.2 水面线分析

由于本设计方案只有在设计最高通航水位和设计最低通航水位工况内河道可以通航，故选取设计最高通航水位和设计最低通航水位分析，计算结果如图4和图5所示。

图4 最低通航水位时主航道沿程水面线

图5 最高通航水位时主航道沿程水面线

由图4—图6可见，在昆仑路交通桥到金山路金山桥设计情况下的水位都低于天然状况下的水位，且比降都较天然状况下小。这是因为天然状况下桥墩附近断面窄，桥墩上游水位被壅高，过流能力差[8]。疏浚和调整桥墩之后，加大了过流能力，经过桥墩后水位没有出现较陡的跌落，说明该设计方案有效地降低了水位，提高了河道行洪能力，减小了水面比降，有利于通航。

4.3 流速分析

设计最高和最低通航水位时，航道内天然状况和设计状况下沿流向流速对比如图7所示。

图6 最高和最低通航水位时主航道水深沿程变化

图7 最高和最低通航水位时主航道流速沿程变化

由图7可见，在设计状况下，航道内的纵向流速均有所减小，但在桥孔内水流流速变化较明显。在京广铁路桥附近，由于天然状况桥梁桥墩较多，所以桥墩绕流较明显，桥孔之间的流速受绕流和桥墩影响，其上下游速度较大。工程状况下，由于桥孔桥跨增加，桥墩附近绕流流速减小，同时对拟建工程河段河床地形进行了修整，所以导致京广铁路桥工程改建后流速有所增大，但流速增加一般在0.2 m/s左右，对通航水流条件没有影响。因此，设计方案下，航道通航水流条件符合IV级通航标准。

5 结 论

综合分析数值模拟的计算结果，得到以下结论：

(1)在现有天然状况下，水深满足要求，桥墩影响区外流速可以满足通航要求，但河道内已修桥梁通航净空尺度，京广铁路桥桥墩附近绕流流速较大，不满足要求。

(2)桥梁改建设计方案中，在设计最高通航水位和最低通航水位下，航道内水面比降、航道内主航道流速及京广铁路桥桥墩附近流速均符合IV级通航标准。

[1] 李义天，赵明登，曹志芳．河道平面二维水沙数学模型[M]．北京：中国水利水电出版社，2001．

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The navigable flow conditions of Shahe river section of Beijing-Guangzhou railway bridge perform the numerical simulation calculations

YAN Jun，ZHUO Fei，CHEN Jian，TIAN Lei，ZHANG Lijuan

(NorthChinaUniversityofWaterResourcesandElectricPower，Zhengzhou450011,China)

The navigation project of Shahe river in Luohe city is recomended that the clearance of the bridges along the line should be lower than level-IV navigation standards．Local flow velocity within bridge openings exceeds the design requirements，which can not meet the navigable flow conditions．Therefore，it is necessary to rebuild the bridges in the waterway that block the navigation．In this paper，we used the Mike software to establish the plane 2D water-sand mathematical model of Shahe river section of Beijing Guangzhou railway bridge，which is located in Luohe,Taishan road,rainbow bridge under about 200m,the lower reaches of the the Yellow river road,Shahe bridge under about 500m，and according to the actual design flood,the highest navigable water level and lowest navigable water level push model in Luohe hydrological station water level，which is compared with measured water level and test the model applicability.We also used the mathematical model to perform the numerical simulation calculations for the flow fields close to the piers of various bridges，water line ratio drop within the waterway，and flow velocity within the waterway in the design plan，and analyzed the navigable flow conditions in the river section．The calculations and analysis showed that the flow field near the piers，water surface slope in the waterway，and horizontal and vertical velocities were reduced under the designed highest navigable water level and the designed lowest navigable water level，and the water conditions in the designed main waterway met the level-IV navigation standard．

level-IV navigation standards；the plane 2D water-sand mathematical model；the navigable flow conditions

郑州市创新型科技领军人才项目(121PLJRC527)

严 军(1971-)，男，教授，主要从事港航工程及河流动力学方面的研究。E-mail：476467495@qq.com

U612

A

2096-0506(2015)05-0001-07