桥闸间耦合水流分析与桥位选择

吴 中，李 婧，李垣君

（河海大学土木与交通学院，江苏 南京210098）

桥闸间耦合水流分析与桥位选择

吴 中，李 婧，李垣君

（河海大学土木与交通学院，江苏 南京210098）

桥梁建设涉及到选址问题，有墩桥梁因桥梁墩柱矗立水中干扰影响原有水流流态，可能会带来河道冲刷、淤积、减小行洪排涝能力等问题。如果建设桥梁临近重要的涉水临河设施，水流流态变化对设施的影响就需要详细评估。以某城市水道节制闸上游桥梁选址规划研究为背景，建立了包括河道、水闸、桥墩相关设施的二维水流数值模型。通过工程前后典型工况下水流的模拟，得到桥墩附近、节制闸前的水位和流速流向的变化，结合节制闸安全运行因素，给出桥梁选址的建议。

桥梁；选址；水流；水闸

桥梁选址大多要受空间与周边环境限制。桥位选址除受道路选线、地质条件、工程难易与投资总额影响外，桥梁建设对水流的影响也不可忽视。一般情况下，只要考虑水流的通过量、桥梁桥墩挡水对行洪安全的影响。当桥梁建在河道节制闸附近上游区域，以往采用等效桥墩挡水面积的简单计算分析桥墩对水流影响的方法已经难以满足工程设计的要求。尤其在河道水文变化幅度较大情况下，需要细致全面地考虑对水环境、跨河建筑物以及水位、流速和流向的影响。桥梁选址也要以确保其它水工建筑物安全运行为前提。某规划建设桥梁位于运河河口，上游连通京杭大运河与长江，下游为九孔跨河节制水闸A。因引水灌溉的需求，水闸要在多种水位与流量工况下运行。有关部门担心桥墩对水的作用会影响到水闸A的正常工作与安全，需要预测不同桥址对水流影响的量值，为桥位选址决策提供依据。

1 工程背景

如图1所示，节制闸A位于图中右侧中部(地理位置居东)，上游约300 m为多条水道汇流处，向南通向长江，向西通向京杭大运河(通过节制闸B)。规划桥位只能位于节制闸A上游100 m有限范围内选择。从交通角度看，桥梁紧靠节制闸A线路布局最优；从水闸运行角度出发，希望桥梁选址远离跨河节制闸。桥梁选位的关键集中于桥墩作用水流对水闸安全运行影响的可接收程度上。对此，方案一为紧靠节制闸方案，桥梁中轴线距A闸闸门59 m；方案二为远离节制闸方案，桥梁中轴线距A闸闸门99 m。桥梁采用七跨方案，每跨桥墩由4个直径1.5 m圆柱并列构成。为减少桥墩对水流干扰，每跨四个桥墩中轴连线与对应闸墩中线对齐。

1.1 水闸典型工况

节制闸A开闸放水主要有4种典型的工况,具体工况参数见表1，水道中泓P点为距A闸闸墩59 m河中位置(图1)，计算中需要依据P点水位推算水文要素。

图1 水道、节制闸与桥梁工程选址示意图Fig.1 Diagram of waterway,check gate and bridge construction

表1 节制闸A运行典型工况（废黄河高程）Tab.1 Typical working condition of Check Gate A(the Yellow River elevation)

1.2 闸前水下地形

水闸A上下游都建有双侧弧形直立翼墙，水闸下部结构包括闸墩、闸墩两侧混凝土立柱、闸下门坎。闸A前水底有并排的3个下凹消力池和消力池上游浆砌块石底面、干彻条石底面。闸A前其它部位水下地形有实测资料。根据实测地形数据绘制的闸前3D地形如图2所示。

2 桥闸水流模型

桥闸水流数学模型参照真实河道地形、桥墩形式、闸墩等水闸下部结构构建，计算结果具有较高的精度和稳定性，可以模拟出桥梁建设前后水流的改变。

2.1 控制方程

模型控制方程由水平动量方程、连续方程组成。根据不可压缩流体N-S方程和Boussinesq假定、考虑地球自转影响，可以得到如下平面二维计算形式。式中：ζ为根据基面确定的水位；ζ，η 为水平正交曲线坐标；d为参考基面水深；为坐标转换系数，在球坐标下为经度坐标；ø为维度坐标；R为地球半径；U，V分别为ζ方向和η方向按水深积分的平均流速；Q为全局源汇项；u，v分别为ζ方向和η方向的流速；f为科氏力参数；ρ0为水的密度；Pζ，Pη为由密度变化产生的压力梯度；Fζ，Fη为水平雷诺应力；Mζ，Mη为动量方程的源汇项。

2.2 数值模型

考虑较远处河道地形对闸前流态的影响，模型东起A闸下游、西至B闸下游，北起C闸南至通往长江河道，东西南北大约1 500 m×1 500 m范围，建立计算水域的3D地形模型见图2。

由于A闸开启工作时B、C闸关闭，因此模型边界主要包括有：入流边界和A闸出流无反射边界；河道侧向、B闸下游截断面、C闸为全反射闭合边界（图1）；桥墩、闸墩按其大小形状设置为干点，在水中为固定形状固体，桥墩闸墩外表面成为实质上的闭合边界。河床底部摩阻系数设为0．022 5。边界标识号见图1。

模型采用变距曲线正交网格，考虑到闸前流态的重要性，网格在A闸河道中泓上加密并延伸。考虑到A闸上游汇流区流态复杂，可能会出现跌水现象，计算边界采用上游流量控制，下游A闸出流口水位控制的差分解法。数值计算不仅可以得到桥闸周边二维平均流速分布，同时也可以得到桥墩引起的河面水位增高分布。

3 典型工况计算

3.1 闸A出流边界E2水位

各典型工况皆为恒定流状态，由于推算的水位点P处于方案一桥位处（图1），属计算区域内点，无法作为边界条件的控制水位。模型给定边界条件还需要知道A闸下游边界处水位。因此只能反复设定出流断面水位初值反向迭代逼近桥位P处水位，寻找并标定桥梁未建情况下诸工况的开边界出流水位(表2)。

表2 无桥状态4种工况出流断面E2水位标定结果（废黄河高程）Tab.2 E2 water level calibration results of four kinds discharge section in non bridge state(the Yellow River elevation)

A闸后水流为人工控制的恒定流，正常工况下水位保持不变，标定E2水位可以作为各种工况的出流边界条件。从表2中可以看出水闸A下游E2出流边界处水位明显低于闸A上游P点水位。

3.2 各工况水流计算

根据各工况上游流量和下流水位的边界控制条件，结合地形与桥闸布设，分别计算出无桥与两种不同桥位方案四种工况下的水流流速与水表水位分布。4种工况桥闸附近水流流速分布见图3～图6。最高水位工况的水表水位分布见图7。在图3～图6各子图的右上端明显看到A闸深色的9个泄流闸孔和相应的闸墩，在相应的有桥方案子图中可以看到深色或浅色的水中桥墩。

从4种工况计算结果看，桥梁对闸A上游的水流流态有明显的干扰。较高水位工况1、2，4组河道桥墩阻水作用明显；较低水位工况3、4，中泓两组桥墩影对水流响较大。各工况下，桥墩的阻水作用将A闸前无桥水流流速中泓“舌状”分布改变为中泓“张开的手指状”分布。其中，950 m3/s大流量、低水位工况2和400 m3/s小流量低水位工况4还会引起闸前中泓流速较大的增大(见表3)。由于4种工况入流源于长江，水流入A闸前在汇流区附近有转弯，A闸前流态表现出中泓的非对称。从流速矢量图中看出，工况4甚至建桥后桥上游临近南岸的局部区域出现顺时针的环流。

图3 工况1无桥、桥位一、桥位二方案桥闸间流速等值线图Fig.3 Working condition 1,non bridge,bridge site scheme one,two of flow velocity contour map between bridge and gate

图4 工况2无桥、桥位一、桥位二方案桥闸间流速等值线图Fig.4 Working condition 2,non bridge,bridge site scheme one,two of flow velocity contour map between bridge and gate

图5 工况3无桥、桥位一、桥位二方案桥闸间流速等值线图Fig.5 Working condition 3,non bridge,bridge site scheme one,two of flow velocity contour map between bridge and gate

图6 工况4无桥、桥位一、桥位二方案桥闸间流速等值线图Fig.6 Working condition 4,non bridge,bridge site scheme one,two of flow velocity contour map between bridge and gate

由于桥梁桥墩的阻水作用，桥位处水位会有所抬高。桥位一、二方案桥墩处至上游全计算域水位被抬高1.4 cm，由于P点和桥位一桥墩位置重合，桥位一方案P点水位抬高1.4 cm;桥位二P点处于桥位二桥墩下游，P点水位没有变化。水位的抬高主要涉及到水道的防洪，大流量低水位工况2桥位桥墩前（桥墩上游）抬高水位值最大达到2.6 cm，工况3、工况4桥位桥墩前水位分别抬高1.5 cm，1.0 cm。图7表达了无桥、方案一、方案二计算域水位高程的分布，可以发现汇流处至A闸河道交接段有明显的水位跌落，其它工况也有类似的情况。这是水位从缓流向急流转变的跌水现象，这也是入流断面E1处无法由P点水位标定水位高程的原因。

图7 工况1(最高水位)无桥、桥位一、桥位二方案计算全域水位等值线图Fig.7 Working condition 1(highest water level),no bridge,bridge site one,two calculate the whole water level contour map

3种方案4种工况计算结果部分涉及闸孔的水流水位值列于表3中。由于3种方案不同工况的流量都恒定，建桥后中闸前水位和中闸后水位于建桥前几乎没有变化，表达了恒定水流在闸前闸后的特性，计算结果合理。

表3 无桥、桥位一、二方案四种工况闸孔周边水位水流计算值Tab.3 Four working conditions,no bridge,bridge site one and two of calculation value of water level flow around gate hole

4 计算结果分析对比

4.1 闸墩前后水域平均流速变化

4个典型工况中，工况2、工况4是不同流量下的低水位工况，它所对应的闸前、闸后流速比高水位更大。虽然建桥前后A闸闸孔前后水位变化不大 （水位梯度也没有变化），但闸孔前临近矩形水域118.5 m×7.5 m和闸孔后临近水域118.5 m×3.0 m的流速分布发生了一些变化，将不同工况下两块水域的网格流速统计值列于表4。

表4 不同工况闸前、闸后水域流速统计值Tab.4 Statistical values of flow velocity in front and back of sluice gates under different working conditions

表4计算结果表明，不同桥位桥梁建设方案总体上对A闸前7．5 m上游有限水域和闸后3．0 m下游有限水域的平均流速影响不大，但流速方差的不同表明闸前后流速分布受到了桥墩的影响。

4.2 桥墩对水流形态影响分析

虽然表4表明桥墩对闸墩前后的平均流速影响不大，但闸孔周边的流态仍然需要分析。对有桥方案与无桥情况同等工况的流速矢量差进行分析，寻求桥墩建设带来的闸孔前后的流速附加矢量。2种桥位方案针对无桥状态的各工况流速附加矢量放大局部图见图8、图9。

图8 桥位方案一引起的附加流速矢量(左至右：工况1，2，3，4)Fig.8 Additional flow velocity vectors(left to right:conditions 1,2,3,4)caused by bridge plan 1

图9 桥位方案二引起的附加流速矢量(左至右：工况1，2，3，4)Fig.9 Additional flow velocity vectors(left to right:conditions 1,2,3,4)caused by bridge plan 2

由于桥墩将A闸前水道流速的“舌状”分布改变为“指状”分布，桥墩对闸前水流的影响显然不是均衡施加的。如果将闸孔从北至南以1#～9#编号，桥墩对各闸孔流速的增减见表5。向上向下箭头分别表示流速对无桥状态的增加与减少，短横线表达既没有增减。总体而言，水道中高流速的“指状”分布增大了A闸两侧闸孔流速，中泓闸孔流速有增有减。

表5 受桥墩影响闸孔流速的增减Tab.5 The increase or decrease of the velocity of the gate hole by the influence of the pier

桥墩对A闸前水流流态影响更为复杂，方案一1、2工况1#～4#闸孔前附加了顺时针环流、5#～6#闸孔前逆时针和7#～9#闸孔前逆时针两个环流；方案一3、4工况又有所变化，1#～3#闸孔前附加顺时针环流、4#～6#闸孔前、7#～9#闸孔前附加两个逆时针环流。方案二闸前情况与方案一相差不大，但相应环流流速有所减小。闸前存在附加环流对水闸安全不利。

图10 桥位方案一、二流速矢量差(左至右：工况1、2、3、4)Fig.10 Bridge position scheme one and two flow vector difference(left to right:conditions 1,2,3,4)

对桥位方案一与桥位方案二的流速矢量差进行观察(图10)，比较两桥位方案相应水流对A闸的影响程度。方案一矢量减方案二闸孔流速增减见表6。

从表6统计结果中可以看出，方案一和方案二比较，不论什么工况，水道中泓最大流速5#闸孔的流速始终最增大的，这对水闸安全不利。

表6 方案一对方案二闸孔流速的附加增量Tab.6 Scheme one to two additional increment of flow velocity at gate hole

5 结论

根据数模计算结果研究分析可得：

1）水闸上游建桥会明显改变闸前流态，河道内高流速中泓“舌状”分布因受桥墩阻挡改变为“指状”分布。

2）由于桥墩的阻水作用，桥梁桥墩面向上游水位有所抬高，抬高影响范围较大，在计算区域内影响范围为1 000 m，尤其在大流量低水位时期，抬高更明显。

3）建桥后水流形成的“指状”分布使大流速水流有扩散性，明显增加了靠岸两侧闸孔水流，也增加或减小了水闸中央闸孔流速。

4）桥梁桥墩使闸前流态复杂化（理想状态下，闸前水流为平行流最佳），在闸前附加多个顺时针环流与逆时针环流，当附加环流流速较大时，会对建筑结构产生危害。

5）桥位方案一、桥位方案二的比较：P点到出水断面的水位梯度变化是方案一大于方案二；闸前环流流速大小是方案一大于方案二；中间闸孔最大流速是方案一大于方案二，通过以上分析，桥位方案二对水闸影响小于桥位方案一，建议选用桥位方案二。采用桥闸耦合水流数模分析，可以提供桥闸间水流详细流态，为进一步分析水闸安全、底部冲刷、河岸稳定提供了基础数据，具有工程实用性。

研究可继续深入，可在三维模型下分析拟建桥梁对已有建筑的影响，与二维模型计算结果进行比较；可选择多种桥位方案，进行更全面的桥位比选研究和水流分析。

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Analysis of Coupled Flow Between Bridge and Sluice and the Selection of Bridge Site

Wu Zhong，Li Jing，Li Yuanjun
（College of Civil and Transportation Engineering， Hohai University， Nanjing 210098， China）

Bridge construction involves the site selection with the pier column tower over water disturbing the original flow pattern,which may cause such problems as river channel erosion,sedimentation and decline in flood drainage.When the construction of the bridge is close to the wading installations,the effect of variations of flow pattern on installations requires thorough assessment.Taking the bridge site planning of the upstream aqueduct gate of a city as the study background,this paper established a two-dimensional flow numerical model of river channel,sluice,pier and other facilities.Through the simulation of water flow under typical conditions before and after the engineering,the changes of water level,velocity and flow direction near the bridge and check gate were obtained.Combining the safe operation factor of the check gate,it provides some suggestions for bridge site selection.

bridge；site selection；flow；sluice

（责任编辑 王建华）

U442.4

A

1005-0523（2017）06-0045-08

2017－06－15

吴中（1964—），男，教授，博士，硕士研究生导师，研究方向为交通运输规划与管理、交通运输信息与控制、交通安全等。