感潮河段桥墩影响评价的高精度二维模拟

魏清福

(江苏省太湖水利规划设计研究院有限公司上海分公司,上海 200434)

河道水域范围内设置桥墩后，造成河道的过水断面发生变化，进而改变河道的水流条件，尤其是桥墩局部区域的水流条件。水流条件改变后，将引起河道形态做出相应的调整，因此，有必要采取技术手段分析河道内设置桥墩对河道水流的影响。MIKE 21模型长期应用于感潮河段潮波、潮流等特性的数值研究，并取得了大量的研究成果[1-3]。张震[4]通过二维水动力学模型分析了商合杭铁路淮河大桥建设对河段行洪的影响；杨新伟等[5]通过MIKE 21 FM模型分析了桥前壅水及流场变化，认为采用数学模型来解决防洪影响评价的相关问题是合理有效的；张慧等[6]以五峰山涉水桥梁为例，分析了HEC-RAS、MIKE 21及Hydro Info等不同模型的桥前壅水精度及适应性；任锦亮等[7]运用MIKE 21软件对建桥前后水位变化情况进行了数值模拟，并与经验公式计算结果进行了比较分析。目前，MIKE水动力模型已在河道水流等多领域得到广泛应用[8-11]，可较好地反演河道水位变化情况，该模型可适用于河道水位及水动力的模拟计算。但目前的研究成果多是分析涉水桥墩建设对河道整体水流的影响，而对桥墩局部区域未作细致分析。鉴于桥墩与河道平面尺度差异较大，模型网格的概化精度、桥墩轮廓的贴合程度都会对模型计算效率及成果造成影响，本文以跨黄浦江感潮河段的涉水桥墩为例，采用SMS软件对桥墩局部区域的河道和地形进行概化，采用MIKE 21 FM软件对墩前壅水、流场变化等进行计算分析，可为工程建设的涉水影响提供可靠依据，对合理开发利用沿河水资源具有一定的现实意义，模型概化的处理方式亦可在涉河桥墩防洪评价计算中推广使用。

黄浦江是长江入海前的最后一条支流，是太湖流域主要排水河道，上接淀山湖、下经吴淞口入长江，发源于杭嘉湖平原东部区域和上海市西部的淀山湖。黄浦江潮汐为不规则半日潮，一天两涨两落，潮汐不等现象较为明显。根据黄浦江潮汐特性，下游高潮位高于上游高潮位，下游低潮位低于上游低潮位。

1 模型的设置和验证

1.1 模型网格

涉河桥墩所在河道宽约400m，桥墩为圆端形，尺寸为21m×46m。模型概化河道长度约40km，上游边界与桥墩的距离约25km，下游边界与桥墩的距离约15km，见图1。

图1 计算范围和网格图

模型采用三角形网格对计算区域进行剖分。模型网格从边界至桥墩区域逐渐加密，网格边长最小为1m，网格的逐渐加密可消除因网格突变而引起的数值耗散；桥墩局部区域网格加密可增加模型网格与桥墩轮廓的贴合程度，提高计算精度，见图2。

1.2 模型设置

桥梁跨越河段缺少实测水文资料，本次采用桥梁上游实测水文资料对模型计算参数进行验证，主要包括各水文测点的水位、流速、流向实测资料，水文测点位置见图3。上下游边界采用实测潮位资料。

图3 水文测点位置示意图

各点潮位验证过程见图4。由图4可知，计算潮位与实测潮位总体上吻合程度良好，两者平均相差5cm，高低潮时间的相位偏差在±0.5h以内，潮位变化能较好地体现涨落潮的日变化。

图4 模型计算结果与实测值对比情况

各点垂线的平均流速验证过程见图5、图6。由图5、图6可知，计算流速、流向过程线与实测值基本吻合，计算涨落潮时段平均流速与实测值平均偏差不超过10%，憩流时间和最大流速出现时间与实测值的偏差在0.5h以内，涨落潮历时、涨落急出现的时刻与实测值基本一致，深槽区域的流速验证情况较岸滩区域好。

图5 3A至3C各测点的流速、流向验证过程

图6 4A至4C各测点的流速、流向验证过程

以上验证结果表明，模型计算的水位、流速和流向与实测值吻合程度良好，说明计算参数选择合理，模型能够较好地反演黄浦江河道潮波传播特性。模型的计算精度基本符合《海岸与河口潮流泥沙模拟技术规程》(JTS/T 231-2—2010)中的要求，可以用来进行工程方案的数值计算。

2 模型成果分析

2.1 水位的影响分析

建桥后，涨潮时，桥墩上游受桥墩阻水影响水位略有降低，下游近桥墩端点处受涨潮流影响水位壅高，桥墩上游2km以上区域及下游2km以上区域水位变化均小于0.5mm，见图7。上游近桥墩端点处水位降低约为1.0mm，随着与桥墩端点距离的增加，水位降低幅度先减小后略有增大；下游近桥墩端点处水位壅高约10.0mm，随着与桥墩端点距离的增加，水位壅高值逐渐减小；桥墩两侧水位略有降低，近桥墩局部区域水位降低幅度大于10.0mm，远桥墩区域水位降低幅度小于0.5mm。涨潮时桥墩上下游临近区域的水位变化情况见表1。

图7 建桥前后高潮位差值

建桥后，落潮时，桥址上游受桥墩阻水影响水位略有壅高，壅高幅度为1.0～3.0mm，至河道上游转弯处水位壅高幅度小于0.5mm，下游2km以上区域水位变化小于0.5mm，见图8。桥墩端点附近上、下游水位均略有壅高，上游水位壅高的主要原因是桥墩阻水影响，而桥墩下游局部区域水位壅高主要是由桥墩阻挡作用导致的桥墩后侧落潮流滞后造成的。上游近桥墩端点处水位壅高超过30.0mm，随着与端点距离的增加，水位壅高值逐渐减小；下游近桥墩端点处水位壅高约为5.0mm，随着与端点距离的增加，水位壅高值逐渐减小；桥墩两侧水位略有降低，近桥墩局部区域水位降低幅度大于30.0mm，远桥墩区域水位降低幅度小于2.0mm。落潮时桥墩上、下游临近区域的水位变化情况见表1。

图8 建桥前后低潮位差值

表1 建桥前后典型点位的潮位变化统计

2.2 流场的影响分析

建桥后，涨急时刻，桥墩外围大范围流场无明显差异，与建桥前基本一致，见图9。桥墩局部区域流场略有差异，桥墩上、下游局部区域水流由于受到桥墩阻水影响，下游涨潮水流向两侧偏转，而上游水流则沿着桥墩弧形端向中间偏转，桥墩左右两侧水流流向与建桥前基本一致，流速量值略有增加。

图9 建桥前后涨急流场

建桥后，落急时刻，桥墩外围大范围流场无明显差异，与建桥前基本一致，见图10。桥墩局部区域流场略有差异，桥墩上、下游局部区域水流由于受到桥墩阻水影响，上游落潮水流向两侧偏转，而下游水流则沿着桥墩弧形端向中间偏转，桥墩左右两侧近桥墩区域水流流向略向外侧偏转，外侧水流流向与建桥前基本一致，流速量值略有增加。

图10 建桥前后落急流场

建桥后，涨急时刻，桥墩上、下游流速均略有减小，上游涨急流速减小幅度略大于下游，上游端点局部区域涨急流速的减小幅度超过30cm/s，随着距离的增加，涨急流速的减小幅度逐渐收敛，下游端点区域涨急流速的减小幅度超过6cm/s，随着距离的增加，其减小幅度迅速收敛；桥墩左右两侧涨急流速略有增加，近桥墩区域流速增加幅度较大，桥墩两侧河道主槽区域流速增加幅度约为2～4cm/s，见图11(a)。涨潮时桥墩上下游临近区域的流速变化情况见表2，由表2可知，桥墩上游区域，桥墩端点处流速减小56.46cm/s，距离桥墩端点约400m处流速仅减小2.82cm/s；桥墩下游区域，桥墩端点处流速减小44.56cm/s，距离桥墩端点约400m处流速仅增加0.01cm/s。

表2 建桥前后典型点位的流速变化统计

建桥后，落急时刻，桥墩上、下游流速均略有减小，上游落急流速减小幅度略小于下游，上游端点局部区域落急流速的减小幅度超过10cm/s，随着距离的增加，其减小幅度逐渐收敛，下游近端点区域落急流速的减小幅度超过30cm/s，随着距离的增加，其减小的幅度迅速收敛；桥墩左右两侧落急流速略有增加，近桥墩区域流速增加幅度较大，桥墩两侧河道主槽区域流速增加幅度约为4cm/s，见图11(b)。落潮时桥墩上、下游临近区域的流速变化情况见表2，由表2可知，桥墩上游区域，桥墩端点处流速减小61.96cm/s，距离桥墩端点约同400m处流速仅减小0.03cm/s；桥墩下游区域，桥墩端点区域流速减小88.60cm/s，距离桥墩端点约400m处流速仅减小3.6cm/s。

图11 建桥前后涨急、落急流速差值图(单位:cm/s)

3 结 语

本文以黄浦江感潮河段涉河桥墩为例，采用SMS软件对桥墩局部区域网格进行逐步加密，模型计算成果能较好地反映桥墩局部区域水位和流场的变化情况。通过对计算成果的分析可以看出，涉河桥墩建设会造成桥墩局部区域水位壅高，桥墩所在河道断面流速增加，但影响范围较小，一般不会对整体河段水流产生明显影响。模型概化的处理方式可在涉河桥墩防洪评价计算中推广使用。