新建水坝对山区大跨度桥梁风环境的影响研究

王典斌

(中铁二院工程集团有限责任公司，四川 成都 610031)

0 引 言

随着《交通强国建设纲要》的颁布和推进，西部山区将修建更多大跨度桥梁以满足交通网络建设的需求。我国西部海拔明显高于东部，河流流向多为由西向东，由于西部山区的海拔变化显著、河流落差大，是水电站建设的有利地点。随着大型水电站的修建，坝址上游水位显著抬高，上游水体面积增大，导致原来低于库区水位的坝体上游峡谷沟壑地貌被水淹没。水坝不但会改变峡谷的原始地貌，也会使峡谷内的风环境发生改变[1]。当大跨度桥梁跨越大坝库区时，水坝可能会对桥梁抗风稳定性能造成未知的影响[2，3]。

数值风洞方法(CFD)因其流场可视化和经济性被广泛用于模拟山区河谷等复杂地形的三维风场[4-10]。文献[4]采用多种湍流模型，对6.9 km×10.1 km范围的地形进行研究，并跟现场实测的结果进行了验证。周志勇等[5]对27 km×23 km的大范围区域的复杂地形进行了风环境的CFD模拟，研究了网格类型和网格尺度划分对计算结果的影响。

本文针对西部山区某大跨度悬索桥桥址区，通过数值模拟方法，对比分析了桥址区风环境，探究了新建水坝对风环境的影响。

1 桥址区风环境数值模拟方法

1.1 桥址区地形条件

以西部山区某大跨度桥梁的桥址区为研究背景，该桥址区地形变化急剧，风场分布复杂，且桥梁下游1 km处拟新建一水坝，建立水坝前常水位距桥面高度约500 m，水坝建成后常水位升高约120 m，距桥面高度减小至380 m。水坝建立前后的地形表面如图1所示。

图1 桥址区地形表面

1.2 模型建立及边界条件

针对本桥址区地形地貌特点，兼顾计算效率与精度，以桥位中心为分析范围的中心，地形范围取为20 km×20 km。建模时高程点间隔取为20 m，计算区域底部以山体、河流为界，底部与顶部高程差取为20 000 m。采用四面体非结构化网格对计算区域进行离散，共划分301万个网格。

风场计算中入口处来流边界层高度取为4 000 m，高程4 000 m以上部分风速取为50 m/s，高程4 000 m以下部分按B类地表(标准气象站场地)风速随高度变化的指数规律进行设置，如式(1)所示。桥面高度对应的入口风速为37 m/s。

(1)

2 计算结果及分析

2.1 工况设置

南向来流与主梁轴线近乎垂直，由于考虑桥位下游1 km左右处的水坝会对南方来流产生一定的阻挡作用，桥址区的风环境可能发生改变。本文主要针对两种工况，对其在水坝建成前后的流场等进行对比分析，工况设置情况见表1。

表1 工况设置表

分别用u、v、w表示横桥向风速、顺桥向风速、竖向风速分量，风攻角α定义如式(2)式所示。

(2)

2.2 水坝对桥址区近地面风环境的影响

计算两种工况考虑水坝影响前后桥址区近地面整体横桥向风速分布，如图2、图3所示。

图2 地形整体横桥向风速分布(工况1)

图3 地形整体横桥向风速分布(工况2)

对于工况1，由图2可知，是否考虑水坝对桥址区近地面的横桥向风速影响不大，对桥位周围近地面的流线影响不大。

对于工况2，由图3可知，在未考虑水坝影响时，桥址区近地面的横桥向风速普遍大于20 m/s，而在考虑水坝影响后，桥址区近地面的横桥向风速减小到20 m/s以下。这是因为在未考虑水坝影响时，桥位周围近地面的流线方向较为分散，但都几乎垂直于桥轴线，而在考虑水坝影响后，桥位周围近地面的流线方向发生了变化，绝大部分都朝向北偏东方向，与桥轴线形成了一定的夹角。

2.3 水坝对主梁横桥向风速的影响

为考察桥位周围的横桥向风速分布，将桥轴线所在立面取出进行对比分析，如图4、图5所示。

图4 桥轴线剖面横桥向风速分布(工况1)

图5 桥轴线剖面横桥向风速分布(工况2)

对于工况1，由图4可见，在未考虑水坝影响时，桥轴线剖面的横桥向风速在桥面高度处仅有桥梁两端很小部分区域小于40 m/s，在桥梁中间大部分区域都超过40 m/s。而在考虑水坝影响后，靠西岸一侧桥面高度处的一极小区域的横桥向风速大于50 m/s，其余区域的横桥向风速有所降低，超过40 m/s风速的区域减小。

对于工况2，由图5可见，在未考虑水坝影响时，桥轴线剖面的横桥向风速在桥面高度处均大于30 m/s，中间位置处有极小部分区域的横桥向风速超过40 m/s。而在考虑水坝影响后，桥位高度处的风速急剧减小，只有极小部分区域的横桥向风速超过30 m/s，有接近一半的区域的风速小于20 m/s，其余部分的风速在20～30 m/s。总体来看，考虑水坝影响后，该工况的平均横桥向风速明显减小。

2.4 水坝对主梁风攻角的影响

为考察水坝对主梁周围风攻角的影响，将桥轴线所在立面取出进行对比分析，桥轴线剖面竖向风速分布如图6、图7所示。

图6 桥轴线剖面竖向风速分布(工况1)

图7 桥轴线剖面竖向风速分布(工况2)

对于工况1，从图6可以看出，在未考虑水坝影响时，在桥面高度处近半区域内，竖向风速超过5 m/s，其余区域均在-5～5 m/s。在考虑水坝影响后，桥面高度处竖向风速超过5 m/s的区域向西岸侧移动，风速在0～5 m/s的区域增大，竖向风速整体而言有所下降。由风攻角计算公式可知，竖向风速下降，则风攻角将减小。

对于工况2，从图7可以看出，在未考虑水坝影响时，在桥面高度处近半区域内，竖向风速超过5 m/s，部分区域风速达到10 m/s。在考虑水坝影响后，桥面高度处竖向风速超过5 m/s的区域减小，且未出现风速大于10 m/s的区域。由此可知，是否考虑水坝对桥梁周围风攻角有明显影响。

4 结 论

通过对比有无大坝两种地形模型下桥址区风环境，可以得出以下结论：

(1)水坝对不同工况的桥位附近风环境的影响各不相同，对于工况1，水坝是否存在对桥址区近地面的风环境影响不大。而对于工况2，考虑水坝的影响后，桥址区近地面的横桥向风速明显减小。桥位周围近地面的流线方向也发生了变化，绝大部分都朝向北偏东方向，与桥轴线形成了一定的夹角。

(2)水坝能够不同程度降低各工况的主梁横桥向风速，工况2尤其明显。

(3)水坝能够不同程度地减小风攻角，考虑水坝后主梁竖向风速明显降低，桥轴线剖面的桥位附近流场也发生改变。