基于二维水动力模型的斜交桥梁防洪影响研究

（安徽省水利水电勘测设计研究总院有限公司 合肥 230000）

1 引言

目前在防洪评价中分析阻水桥梁对行洪影响时通常采用相关规范推荐的面积投影法，该方法在正交桥梁阻水计算中有较高的准确度，但是随着桥梁斜交角度的增加以及桥墩截面型式的变化，影响越趋复杂，而且在较大斜交角度情况下，桥下净过水面积甚至可能接近于零，由此求得的桥前壅水过大，与实际情况不符[1]。本文基于MIKE21 软件建立昌景黄铁路跨金东河河段二维水动力学模型，研究大桥实施后桥墩对该河段行洪能力及河势的影响。

2 研究区概况

昌景黄铁路金东河特大桥位于安徽省黄山市祁门县祁山镇境内，于金东河休张路桥上游2km 处跨阊江支流金东河，桥梁长685.45m。桥梁跨金东河处设置共16 个桥墩，其中2#～14#桥墩均位于滩地上，1#、15#、16#桥墩位于河道范围以外。

3 模型建立

3.1 控制方程及计算方法

本次水流模拟基于的控制方程是不可压流三维雷诺 Navier-Stokes 平均方程沿水深积分的连续方程和动量方程，在笛卡尔坐标系中可用如下方程表示：

连续性方程：

X 方向动量方程：

Y 方向动量方程：

式中：t 为时间；x，y，z 为右手Cartesian 坐标系；d 为静止水深；h=η+d 为总水深；η 为水位；u，v 分别为流速在x，y 方向上的分量；f 为科氏力系数f=2Ωsinθ，Ω 为地球旋转的角频率，θ 为当地的纬度；ρ 为水的密度；ρ0为参考水密度；fv和fu为地球自转引起的加速度；sxx，sxy，syx和syy为辐射应力分量；Txx，Txy，Tyx和Tyy为水平粘滞应力项；Pa为当地的大气压；S 为源汇项（us，vs）水流流速。τsx，τsy为风场摩擦力在x，y 上的分量；τbx，τby为底床，摩擦力在x，y 上的分量。横线表示深度的平均值。

3.2 计算方案

金东河特大桥处20年一遇设计流量为660m³/s，水位为120.35m，100年一遇设计流量为1269m³/s，水位为122.15m。

3.2.1 计算范围

二维模型计算范围为金东河特大桥跨河段河道，根据前期研究经验，桥梁实施后的影响范围一般在上、下游1.0km 范围内，因此二维地形采用实测金东河桩号E30（1+785）至桩号E52（3+885）之间金东河河道平面带状图及横断面资料，桥址处断面在桩号E40（2+591）处。

3.2.2 网格剖分

金东河特大桥段模拟范围内河道面积约0.37km²，河道地形蜿蜒变化，计算区域河道过水断面较大，河道采用边长约8.0m 左右的三角形作为计算网格。考虑到工程跨河桥梁间距较近，为了精细模拟出桥墩建筑物对水流的影响，模型将铁路桥跨河段局部区域的网格进行加密处理。

3.2.3 边界条件

沿模型计算区域的闭边界（陆地边界）各变量的法向流动均被设置为零。二维模型上游进口开边界为流量控制，下游出口开边界为水位控制。对于河道滩地部分，由于计算区域中存在随水位起落而变化的动边界，为保证模型计算的连续性，采用“干湿处理技术”：当计算区域水深小于0.005m 时，该计算区域的节点不参加计算，直至被重新淹没为止；当水深大于0.1m 时，该计算区域的节点重新参加水流正常计算。

3.2.4 时间步长

利用有限体积法计算三角网格的水流模拟时，采用30s 作为最大时间步长，0.01s 作为最小时间步长。

3.2.5 模型验证及糙率率定

一般情况下，在数值模拟计算中应对水位、流速以及流量等进行验证。由于金东河段缺乏实测水文资料，本次计算的模型参数主要以水行政主管部门批复的桥址水位成果作为验证标准。根据现场实际条件，对二维模型金东河主河槽糙率n 取值0.035，滩地糙率取0.045。为了使建立的二维模型能够较好的模拟工程区域的水动力条件，本次计算根据20年一遇、100年一遇流量和相应假设的下游水位值来试算，通过控制试算桥址处水位值与批复值的误差精度从而试算出相应的下游控制水位值[2]。模型验证后边界情况见表1。

表1 计算水位边界条件及水位验证表

4 模型计算结果分析

4.1 壅水分析

根据模拟计算，遭遇不同设计洪水各计算工况中的金东河水位变化见表2。

表2 桥前壅水高度计算成果表

由20年一遇、100年一遇设计洪水模拟成果可知，2#～6#桥墩壅水高度相对较大，在20年一遇洪水工况下，桥墩前最大壅水高度为0.27～0.30m，壅水曲线长度约为500m；在100年一遇洪水工况下，桥墩前最大壅水高度为0.30～0.35m，壅水曲线长度约为650m。金东特大桥新建后，桥前壅水高度随着流量的加大而有所加大，壅水长度加长，总体呈桥上游壅水影响较大，下游影响小，在设计工况下，最大壅水高度不超过0.35m。各设计洪水工况桥址附近水位变化见图1。

图1 各设计洪水工况桥址附近水位变化图

4.2 流速分析

金东河特大桥实施后，因桥墩建设，桥墩之间相互影响，河道流场变化，导致各方案桥墩处流速变化不一。总的来说，由于桥墩的阻水作用使得桥墩上、下游掩护区内流速有所减小，桥孔之间流速增大。20年一遇工况下，桥墩上、下游掩护区流速减小，变化幅度在0～2.5m/s；随着建桥后桥墩间流量调整，桥孔间流速增加，且增加幅度在0～1m/s，越靠近桥墩流速变化越明显。100年一遇工况下变化趋势类似。

从桥址附近流速平面图2可知，桥墩的阻水作用使得桥轴线上下游附近流速有所变化，且离桥轴线越近流速变化越明显，反之则不明显。20年一遇工况下，建桥后桥址上游主河槽流速减小，流速变幅在0～0.27m/s，滩地流速有所增加，流速变幅在0～0.17m/s；建桥后桥址下游主河槽流速增加，流速变幅在0～0.24 m/s；桥跨间河道断面流速较为复杂，但总体上仍然是滩地流速加大，桥墩下游流速减小，桥孔间或桥孔与岸坡间流速加大。

图2 各洪水工况桥墩处典型流速变化图

由此可见，桥梁建设对河道流速及断面流速分布均有影响，特别是在桥跨及桥跨下游附近水流紊动程度明显增强，流速的增加及流速的不均匀变化对河床、岸坡以及桥墩自身稳定不利。

4.3 流场分析

根据20年一遇洪水工况下的流线图可见，金东河特大桥建设后，桥墩附近出现明显的阻流和绕流，桥墩之间的流向和流速较现状发生了变化。总体来说，桥梁建设后引起的流场变化主要集中在桥跨附近，由于主河道内未设置桥墩，主槽内流线未发生明显变化，水流沿主槽由西北折向西流向下游；滩地处由于桥墩的布置，且桥墩线路与河道夹角较小，桥墩的叠加影响致使桥前水流流线明显向西偏折，滩地主流在10#～14#桥墩间汇集后流入下游。

因此，由流场流向分布图3可看出，由于拟建桥梁的修建，造成局部流速的增加以及局部流向的改变，易对河道走势变化较大的部位以及桥址附近岸坡造成冲刷。

图3 20 一遇洪水工况建桥前后流线对比图

5 结语

本次研究分析针对斜交桥梁跨河处的复杂工况，利用实测地形、断面数据建立了MIKE21 水动力学模型模拟计算，成果表明：

（1）通过模型模拟结果与传统经验公式计算成果比较分析可知，模型计算可以获取任意时间、空间的水流流态变化，可为分析河道主槽、滩地、桥墩附近等不同区域流态变化提供数据支撑，也更加有利于采取针对性的防洪补救措施，因此采用二维水动力模型分析斜交桥梁的防洪影响更加合理。

（2）由模型计算成果可知，桥梁建设后，由于桥墩造成的桥前壅水，将会对桥位河段河道过流能力、滩槽分流比、水流流速等造成一定的影响。桥墩造成的阻水需要通过河道断面补偿、优化桥跨布置、优化桥墩截面型式等方式减小影响，另外河槽中桥台轴线与水流方向斜交，对水流有挑流作用，易对河岸造成冲刷影响，需要对桥址处上下游岸坡采取合理防护措施■