渭河典型河段桥梁群的河道影响研究

白少智，杨中华，路婷婷

（1.陕西省河流工程技术研究中心，陕西 西安710018；2.武汉大学，湖北 武汉430072）

目前，跨河桥梁是人类克服自然水体阻隔、扩大人类活动范围的最经济、最有效的途径，但是建桥使得桥位河段的水沙运动及河床演变变得非常复杂[1]。把握水流、河床与桥渡之间的相互作用、相互制约关系，是桥渡设计的主要工作内容[2]。随着渭河沿岸经济社会的快速发展，跨河桥梁等涉河建筑物增加迅速，渭河下游个别典型河段桥梁密集，出现了桥梁群。由于桥梁墩台压缩了河道过水断面，引起了桥位附近流速、流态变化，在一定范围内引起桥前水位壅高等问题，产生河段内壅水叠加效应，对河道产生不利影响，加大了城市防洪压力。

针对渭河下游典型河段桥梁群的河道影响，采用平面二维水流数学模型MIKE 21 FM模型对渭河典型河段桥群河道影响进行了数值模拟。整个计算区域采用三角形网格剖分，桥墩的模拟采用固壁边界的形式，在每个桥墩位置进行局部加密，将计算网格在桥墩处缩小至桥墩大小尺度。模拟计算河段无桥群及有桥群两种情况，对桥群修建前后桥墩局部水位、流速和壅水情况等的变化进行分析，提出了减轻跨河桥梁河道不利影响的主要措施，为后续跨河项目审批管理提供参考。

1 典型河段跨河桥梁概况

渭河下游渭淤35～渭淤37河段长8.9 km，共修建有9座跨河桥梁，桥梁平均间距达到0.99 km，是跨河桥梁分布最密集的河段，其中包含新建桥梁一座。此河段多数桥梁修建年份较早，桥墩以圆形和椭圆形为主，部分桥梁采用不同形状桥墩相结合的形式，河段现状防洪标准为100年一遇。

2 计算河段及网格划分

2.1 计算河段及网格布置

综合考虑拟建该段工程所在位置的河势、工程修建后可能的影响范围以及水文资料等，选取区域进口断面在西兰公路渭河桥（咸阳1号桥）上游4.26 km，出口断面在渭河上林大桥下游3.53 km，计算区域全长15.95 km。计算河段地形采用实测的1∶5000河道地形图，根据地形变化趋势对局部缺失地形进行了插补。计算模型共设置66325个网格节点，185133个网格单元，模型范围及网格见图1整体网格图。

图1 整体网格图

2.2 计算模型及方法

2.2.1 水流运动控制方程及定解条件

水流连续方程:

式中:z为水位；p、q 为 x、y方向单宽流量；h 为水深；s为源、汇项；six、siy为源；汇项在x、y方向的分量；c为谢才阻力系数；Ω为科氏力；E为涡粘扩散系数。

模型采用有限体积法求解。定解条件:包括初始条件与边界条件。边界条件为上游给定垂线平均流速沿河宽的分布，下游给出水位沿河宽的分布。对于岸边界，则采用水流无滑移条件，即取岸边水流流速为零。在计算时，由计算开始时刻上、下边界的水位确定模型计算的初始条件，河段初始流速取为0，随着计算的进行，初始条件的偏差将逐渐得到修正，其对最终计算成果的精度不会产生影响。

2.2.2 相关问题的处理

1）动边界技术

由于计算区域中存在随潮位涨落而变化的动边界，为保证模型计算的连续性，采用“干湿处理技术”，当计算单元水深小于0.001m时，单元网格冻结，该单元不参加计算；当水深位于0.001m～0.01 m之间时，只求解连续性方程，不求解运动方程；当水深大于0.01 m时，该单元参加计算，求解连续性方程和运动方程。

2）模型参数取值

糙率系数:模型糙率系数的选取需经过模型的校验确定。

涡粘系数根据Smagorinsky公式确定:

式中:u、v为x、y方向垂线平均流速，Δ为网格间距，Cs为计算参数，0.25＜Cs＜1.0。

计算时间步长:为保证满足计算稳定收敛条件，最大时间步长取3 s。

3）桥墩的处理

为在数学模型中反映工程对河道水流的影响，一方面在网格剖分时尽可能在桥墩附近对网格进行局部加密，另一方面则将网格在桥墩处缩小至桥墩大小尺度，桥墩设置为桥墩当成不透水的固壁边界处理。

2.3 模型率定与验证

为验证模型的准确性，采用实测断面洪痕资料对模型计算结果进行验证。咸阳站流量为3970 m3/s，出口边界水位为379.30 m。验证河段上个测点水位，结果见表1。表1给出了水文测验期间工程河段水位实测成果与计算成果的比较。由表1可见两者基本吻合，最大误差为0.04 m。采用平面二维数学模型经率定后能较好地模拟本河段的水流运动特性，计算结果和实测成果吻合较好，可用于计算和分析工程修建对河段内水位、流速的影响。经上述率定可以得到本河段糙率系数为0.024～0.025。

表1 水位验证计算成果 单位:m

3 计算分析

3.1 计算工况

根据工程行洪和河势影响分析的需要，计算方案主要考虑渭河汛期高水位条件，同时也兼顾中水位下工程前后水位、流场变化。工程影响计算选取十年一遇洪水、百年一遇洪水水流条件进行计算分析，计算工况见表2。工程影响计算定解条件为进口给定流量、出口给定水位。

表2 计算工况

3.2 计算结果分析

3.2.1 工程前后水位变化分析

对于不同类型的桥墩，水位的变幅有所不同，但变化规律相同，由于工程对于河段的束窄作用，河道水位整体呈现上升趋势。计算结果见图2，结果表明，桥群河段呈现以各桥位为节点的水位壅高、降低的间歇式水位变化，水位壅高最大值出现在桥墩上游附近。该河段由于桥梁分布密集，桥墩个数较多，其对于河道过水面积和水面宽的影响较大，使得桥墩对于河段的束窄作用较为明显，间距较近导致多个桥位桥墩的影响范围有叠加效应，加剧了对于河段的影响。

图2 百年一遇洪水条件下水位变幅图

3.2.2 工程前后流速变化分析

工程修建后，由于桥墩附近的水流发生绕流，桥墩壁面由于阻水作用原本流速较大的水流均减速，且流向改变为贴壁流动。在桥墩上游区域内，因壅水导致水流流速减小，而在下游区域因阻水和扩散，水流流速也相应减小。由于桥墩挤压水流，导致桥墩前沿的外侧水流流速增大，桥墩后形成回流区，并产生涡旋。涡旋在一定程度上影响了墩台的桩基稳定性及桥梁的安全[3]。在不同的上游来流条件下，流速的变化在定性上是一致的，但在定量上则有所不同。桥群河段桥墩分布较为密集，所以流速变幅较大，影响区域较广。图3和图4是河段模拟计算的流速变化图，计算可知，百年一遇洪水条件下，流速增加的最大值为0.65 m/s，流速减小的最大值为0.74 m/s。

3.2.3 壅水高度和壅水范围分析

两种计算工况下，每座桥梁上游河段均有不同程度的水位壅高和壅长，流量越大，桥墩的阻水作用越明显，带来的壅水范围越大。由于桥群桥梁间的相互影响，桥梁间距较近时，水位壅高会产生叠加效应，导致桥群河段水位壅高幅度及壅水范围加大。计算表明，桥前壅水高度与桥梁断面压缩比呈线性相关关系，桥位断面压缩比越大，则桥前壅水高度亦越大；断面压缩比与桥梁跨距、墩形尺寸密切相关。河段内水位雍高最大、雍高范围最集中的区域均位于桥墩最密的桥梁断面附近。计算可知，百年一遇洪水条件下，水位壅高最大值0.92 m，河段整体水位壅高大于0.355 m的河段长度为2650 m。

图3 百年一遇洪水条件下流速变幅图

图4 百年一遇洪水条件下整体流场图

4 结语

本文以渭河下游典型河段桥梁工程为例，以区域河段MIKE 21 FM模型为计算工具，分析了桥梁群对河道的影响。

研究表明，由于各桥位处墩台对河道的束窄作用，桥群河段水位呈现以各桥位为节点的水位壅高、降低的间歇式水位变化，可能对局部河势变化产生一定影响。桥前壅水高度与桥梁断面压缩比呈线性相关关系，而断面压缩比与桥梁跨距、墩形尺寸密切相关；加大跨距、减小墩形尺寸，是降低断面压缩比及桥前壅水高度的有效途径。相比椭圆形和长方形桥墩，圆形桥墩对桥梁附近流场、河道行洪及桥梁墩台安全的影响相对较小，建议今后桥梁建设中桥墩形式采用圆形为主。