斜交桥梁对山区河流行洪影响分析

2018-08-21秦国帅许士国李文生

水利与建筑工程学报 2018年4期

秦国帅，许士国，李文生，刘

(1.大连理工大学，辽宁大连 116024； 2.大连市水利建筑设计院，辽宁大连 116021)

随着社会经济的发展，跨河桥梁建设的数量和规模越来越大，桥梁形式也越来越多样化。在跨河桥梁设计中，受地形、河流形态及施工条件的限制，往往造成路线与河道斜交，此时将桥梁结构布置成斜交桥的形式经济效益更为显著，如海口荣山河并联斜交桥，合共高速公路大桥，宁安铁路桥等[1-3]。跨河桥梁由于桥墩和桥台的束窄阻水效应，使水流流态发生变化，改变了河道的过流能力，特别是在桥位斜交的情况下，由于上下游桥墩之间相互干扰，阻水效应更加明显，对河道行洪的影响较正交情况下更为复杂[4]。山区河流由于河道窄、坡降陡，洪水呈现陡涨陡落的特性，跨河桥梁对河道行洪的影响往往比平原地区要大。目前在研究斜交桥梁对河道行洪能力影响时，通常是将桥下净过水面积等于斜交桥天然过水面积在正交断面上的投影与斜交桥桥墩在正交断面上的投影之差来考虑。按照这种方法，随着斜交角度的增加，投影在正交断面上的桥墩面积也越来越大，桥下净过水面积可能接近于零，由此求得的桥前壅水高度很大，往往与实际情况不符[5-6]。目前关于斜交桥梁对山区河流行洪影响的研究主要分为模型试验和数值模拟，采用模型试验的方法往往费时费力，而数值模拟是一种方便可靠的途径[7]。MIKE21 FM是丹麦DHI公司开发的平面二维表面流模型，在大型工程影响评估中得到了广泛应用[8-12]。本文通过建立MIKE21 FM模型，分析不同频率洪水条件下桥梁附近水位及流场的变化，以准确评估复杂工况条件下斜交桥梁对山区河流行洪的影响。

1 研究区域概况

拟建桥梁所在河流浮渡河(N39°57′45″～40°06′37″，E122°18′44″～122°56′46″)是大连、营口两市的界河，流域面积466 km2，主河道长43.6 km，下游为平原地区，中上游为山区、丘陵地带。拟建桥梁位于浮渡河上游李刘沟至许屯镇段，中间有腰屯河汇入，河道蜿蜒曲折，平均比降6.01‰。两岸堤防标准为10 a一遇，当遇到超标准洪水时，很容易发生漫堤，对两岸人民生产生活造成严重影响。该研究中拟建跨河桥梁是大连市许家屯至太平湾疏港铁路新建工程的一部分，主要包括杨家沟铁路桥和陈屯铁路桥，其中陈屯铁路桥由疏解线大桥、沈大线大桥和浮渡河4号大桥组合而成。杨家沟铁路桥和沈大线大桥为双线柱式桥墩，疏解线大桥和浮渡河4号大桥为单线柱式桥墩，桥墩间距除浮渡河4号大桥为24 m外，其余间距均为32 m。本研究所在河段属于典型的山区河流，受地形及线路布设的影响，拟建桥梁均以斜交形式跨越河流。其中杨家沟铁路桥斜交角度为62°，疏解线大桥、沈大线大桥和浮渡河4号大桥斜交角度分别为33°、24°和10°。

2 模型构建

2.1 网格剖分

MIKE21 FM模型在平面上采用非结构化网格模型，通过有限体积法(FVM)进行求解[11]。利用模型中自带的非结构网格生成器对研究区地形进行剖分，生成模型计算所需的网格文件。模型计算区域共计5.74 km2，最大网格面积不超过0.001 km2，拟建桥梁处进行加密处理。本研究共计生成32 159个非结构化网格。剖分完成后，采用实测1∶2 000地形图进行插值，并用1∶10 000地形图进行校正。研究区网格剖分、地形以及桥梁位置如图1所示。

图1研究区域网格剖分及地形插值结果

2.2 模型边界确定

模型边界包括模型上下游边界及下垫面糙率等。模型计算区域位于浮渡河上游山区丘陵地带，集水面积约200 km2，因为流域内未设水文测站，属于无资料地区，故设计洪水采用98版《辽宁省中小河流(无资料地区)设计暴雨洪水计算方法》中所推荐的推理公式辽宁法推求浮渡河干流及支流腰屯河设计洪峰流量及洪水过程线[14]，洪峰流量计算见表1。将计算得到的10 a一遇、20 a一遇及50 a一遇干支流设计洪水过程线作为模型上边界。下边界因为缺乏实测资料，根据实际地形及曼宁公式计算得到下游边界处的水位流量关系曲线。糙率值参考文献[11]中的糙率确定方法[15]，根据河流河床有水草、滩地面积大、主槽较窄，水流不够顺畅，且现状河道底部不平整等情况综合考虑，确定整段河道主槽糙率取值为0.027，滩地糙率取值为0.04。

表1 设计洪峰流量计算表

2.3 桥墩处理

MIKE21 FM模块对桥墩的处理方法有附加阻力法和加密网格法[16]。附加阻力法是通过增加桥墩所在单元的拖曳力来考虑桥墩对水流作用的影响，这种情况下桥墩对水流的阻力被均匀地分摊到桥墩所在的单元格上；加密网格法是对桥墩所在区域进行加密，将桥墩处地形进行拔高，使桥墩所在区域完全阻水进行考虑[17]。本研究采用与实际情况更为接近的加密网格法来模拟桥梁桥墩对河道行洪的影响。

2.4 模型验证与工况设计

浮渡河流域内没有水文站，缺乏实测水位流量资料进行验证，因此将MIKE21 FM模型计算10 a一遇水面线结果与2016年大连市水利建筑设计院利用试算法推求的水面线进行对比，结果如图2所示。由图中可以看出模型计算结果基本满足水面线相似要求，说明模型构建合理，可以用于桥梁对河道行洪影响分析。

利用10 a一遇洪水计算结果对桥址处水流流态进行分析，杨家沟铁路桥所在河段弗劳德数Fr=1.13>1，水流形态为急流。陈屯铁路桥所在河段弗劳德数Fr=0.10<1，水流形态为缓流。为研究水流形态山区河流行洪影响，采用单线柱式桥墩，在10 a一遇设计洪水条件下，设置杨家沟段和陈屯段桥梁斜交角度为0°，对比不同流态下桥梁的壅水特性；为研究桥梁斜交角度对山区急流条件下河道行洪的影响，分别令杨家沟段桥梁斜交角度为0°、15°、30°和45°，分析不同斜交角度下桥梁雍水高度，对比不同斜交角度下桥梁壅水特性。最后按照桥梁实际设计情况，对拟建杨家沟铁路桥和陈屯铁路桥壅水特性及流速流态进行模拟，分析对河道行洪的影响。

图2模型计算与试算法推求10 a一遇河道水面线

3 结果分析

3.1 不同流态和斜交角度对水位壅高的影响

10 a一遇洪水条件下不同流态和斜交角度对水位壅高的影响如表2所示。由表2中计算结果可以得到，水流流态对水位壅高影响较大，急流情况下水位壅高值要大于缓流情况下水位壅高值。分析其中原因，当水深相同时，急流流速往往要大于缓流流速，即水流所具有的动能较大。当水流遇到桥墩阻拦时，水流动能转化为势能，所以急流条件下水位壅高要大于缓流条件下水位壅高。对急流条件下不同斜交角度水位壅高结果进行分析可得，斜交角度越大，水位壅高越大。主要是因为在跨度相同情况下，斜交角度越大，河道中桥墩越多，投影在正交断面上的桥墩面积越大，桥下净过水面积越小，影响河道过流能力，会导致壅水增加[16]。所以桥梁设计时应尽量使桥梁轴线与水流方向正交，以减小水位壅高对河道防洪带来的不利影响。

表2 不同流态和斜交角度对水位壅高的影响

3.2 拟建桥梁对河流行洪的影响

从防洪安全中最为关注的水位和流速两个方面来评估拟建桥梁对河流行洪的影响。拟建桥梁对洪水水位的影响如图3和表3所示。由图3中可以看出，桥墩阻水效应明显，墩前水位较同一断面其他位置要高，并且不同桥墩之间存在叠加效应。由表3中计算结果可以看出，10 a一遇、20 a一遇和50 a一遇洪水条件下杨家沟铁路桥桥址处水位分别壅高0.31 m、0.40 m和0.68 m，陈屯铁路桥桥址处水位分别壅高0.18 m、0.27 m和0.31 m。随着洪峰流量的增大，壅水高度也逐渐增大。由前文分析可知，山区河流桥梁壅水高度与水流流态和斜交角度均有关系，水流越急，桥梁斜交角度越大，水位壅高越明显。上游杨家沟铁路桥水流流态为急流，且斜交角度大于下游陈屯铁路桥，所以壅水高度较陈屯铁路桥要大。

图3 50 a一遇洪水条件下建桥后水位分布图

拟建桥梁对洪水流场的影响如图4和表4所示。由图4中可以看出，由于桥墩的阻水作用，桥墩前流速明显减小，桥墩下游由于桥墩的遮蔽效应，流速减小的范围有所增大。而桥墩两侧由于过水断面的减小流速明显增大。由表中计算结果可以得到，当发生10 a一遇、20 a一遇和50 a一遇洪水时，杨家沟铁路桥桥下流速分别增加0.41 m/s、0.46 m/s和0.47 m/s，陈屯铁路桥桥下流速分别增加0.30 m/s、0.32 m/s和0.34 m/s。随着洪峰流量的增大，流速增加也越大。杨家沟铁路桥对流速增加的影响要大于陈屯铁路桥。分析其中原因，上游杨家沟处桥梁与河道斜交角度较大，河道中桥墩数量较多，桥梁断面处阻水比(某一水位条件下桥墩阻水面积与该水位下的河道断面总面积之比)远大于下游陈屯铁路桥处(见表4)。阻水比越大，过水断面越小，造成杨家沟铁路桥下流速增加值较大。

研究区域河道堤防标准为10 a一遇，杨家沟铁路桥和陈屯铁路桥处堤顶高程分别为50.46 m和42.80 m，均高于10 a一遇洪水条件下河道壅高水位，说明拟建桥梁对研究区域内河道水位影响不大。但是水位壅高会在一定程度上降低已有堤防的防洪标准，并且流速增大会引起河床和堤防冲刷加剧，对桥梁本身的稳定性也有一定的影响，斜交桥梁对山区河流行洪影响需要引起重视。