浅谈跨河大桥行洪论证与河势稳定评价中阻水率的计算

2023-12-30朱殿芳郭志学

四川水利 2023年6期

李彬,朱殿芳,郭志学

(1.四川大学工程设计研究院有限公司,成都 611132;2. 成都市市政工程设计研究院有限公司,成都 610213;3.四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室,成都 610065)

桥是“中国建造”的代表之一,近些年随着我国经济的飞速发展,越来越多的跨江、跨河大桥正在建设之中,桥梁型式也不断多样化。在跨河桥梁设计中,受地形、河流形态及周边建筑的限制等,往往造成路线与河道斜交或桥梁桥墩结构斜交[1-2]。桥墩阻水率反映了桥墩占用行洪面积的比例,是检验桥梁阻水程度的重要指标[3]。在河道展宽且岸线弯曲河道内设置桥墩时,水流流向往往并不完全与岸线平行,桥墩如考虑水流斜交影响,采用桥墩在垂直于水流方向上的投影宽度来计算阻水率时,往往会导致阻水率大大增加,使阻水率超出规定限值,对前期桥梁方案造成颠覆性修改。目前,采用一维、二维模型进行壅水计算的研究较多[4-10],针对斜交桥梁的壅水研究也不少[3],但对斜交桥梁阻水率计算的研究较少。桥墩设置位置一般靠近河岸,岸边流速往往低于主流区流速,阻水率除与单位宽度的过流面积(水深)有关外,也与当点流速大小有关,一维模型计算中,以桥位断面平均流速计算桥墩阻水,实际上放大了数倍作用流速,如果桥墩再考虑斜交投影,增加投影面积,则会高估桥梁的壅水作用。为了能更好地说明斜交桥墩对水流的阻水作用,本次采用了二维模型对建桥后的水流流态进行了模拟验证。本文阻水率的计算方法可为类似跨河桥梁涉水桥墩阻水率的计算提供参考。

1 工程概况

锦尚大桥位于成都市河东片区核心区,主要衔接锦江两岸科华南路(红星路南延线)与国华街(经三路)滨江景观路的通过性交通量转换,承担天府大道与成仁路东西向到达性交通的集散,是片区快速路网及主干道系统中的重要通道工程。锦尚大桥分三跨跨过锦江,桥梁跨径为:33+180+42=255 m,主跨跨径为180 m,桥头引道长度176.368 m,桥面宽度34 m,拱梁结合处人行道外绕至拱肋外侧,桥面宽变为40 m,桥梁最低梁底高程为486.86 m,锦江规划防洪标准为200年一遇。主桥采用下承式钢箱拱梁组合体系、主拱为倾斜双拱肋、双索面、钢箱梁,吊杆为柔性单吊杆。桥墩采用Y型墩,呈花瓶型,为利于漂浮物过桥,桥梁桥墩前段和末段采用弧形,弧段高0.75 m(非竖向),中间采用直线段,直线段长4.8 m,总墩长6.3 m,下部标准墩宽4.5 m,墩宽逐渐渐变至7 m宽后,分为两叉支墩,设计洪水处墩宽为5 m。左岸桥墩布置方向与水流方向基本一致,投影宽度与桥墩尺寸一致。右岸桥墩布置方向与水流方向呈约15°夹角,上游排桥墩与下游排桥墩相距28 m。桥梁平面布置见图1所示。

图1 桥梁平面布置

工程河段目前已按规划完成了堤防工程建设,桥位断面河道宽216 m,主槽为坡比1∶2的斜坡式混凝土面板河堤,主槽高3.5 m,上接2 m宽人行步道,其上为斜坡绿化带。锦江流域的水文站、水位站、流量站较多,工程位置上游有望江楼水文站,下游有华阳镇水位站。根据望江楼水文站和华阳水位站的洪水观测成果,采用内插法计算锦江工程河段的设计洪水。工程河段控制断面的区间集雨面积109.7 km2,相应200年一遇防洪流量为1 580 m3/s。

2 模型设计

HEC-RAS(River Analysis System )计算模型是美国工程兵团编制的一维河流分析系统软件,可以计算恒定流,也可计算非恒定流,可模拟桥孔、涵洞、坝面溢流等,还可定义死水区、堤线等。水面线计算通过求解能量方程从一断面计算到下一断面,在求解方程过程中采用了递次求近法。该模型通过输入工程地形、上游流量、下游水位等基本资料来计算恒定流条件下河道各断面水位。

2.1 计算范围

锦尚大桥工程下游约300 m为复地金融岛,其后河道分为两汊,该河段范围内水流条件变化较大,均不适宜作为控制断面,因此取复地金融岛下游约400 m的绕城高速公路大桥断面作为出口控制断面,分析河段总长3.4 km。

2.2 河道地形与断面资料

分析河段长度为3.4 km,锦江河堤已按规划完成打造,河势整体比较稳定,根据河势地形,共布设21个水文断面,CS10～CS11之间为锦尚大桥断面。

2.3 河道糙率

河道河床糙率参照锦江河道设计糙率,河道主槽糙率取为0.0275,两侧岸坡糙率按0.035取值。

3 一维模型计算结果

按上述资料和方法,对P=0.5%设计洪水作用下,工程前、后的河段沿程水力参数进行了计算。锦尚大桥建设前后,P=0.5%设计洪水下各断面的水位、平均流速、过流面积及过流宽度等详见表1。

表1 工程前、后200年一遇洪水时沿程断面水力参数变化

锦江分析河段河道发生200年一遇洪水时,河道主槽已无法满足过流要求,需通过两侧复式绿化放坡区域过流,堤顶线为两侧绿化放坡坡顶,河段整体能满足200年一遇过流要求,堤顶不会发生漫溢。工程段新建桥梁后,主槽区域内桥墩涉水,对上游有一定的壅水作用。新建锦尚大桥后,上游最大壅水高度为0.05 m,新建桥梁壅水影响范围为上游约350 m范围,工程后现状堤防高度能满足防洪要求。受壅水作用,工程段流速较天然减小最大约0.03 m/s。桥孔断面因断面收缩,流速略有增加。

新建锦尚大桥处,中间主跨有两排桥墩涉水,工程后过流宽度和面积会有所减小,工程河段本身位于河流展宽段上,行洪断面较上游河道基本行洪断面扩大较多,工程方案对河道行洪总体影响较小。桥梁断面位置处天然过流宽度221 m,桥墩沿水深变化,河床处桥墩宽度为4.5 m,200年一遇洪水位处桥墩增宽为5 m。右岸桥墩阻水率计算暂考虑两种情况,第一种情况:不考虑上、下游桥墩叠加作用,将右岸桥墩按正交投影到桥梁轴线断面上,计算阻水率;第二种情况:右岸桥墩处实际水流流向并不完全与岸线平行,桥墩需考虑水流斜交影响,根据桥梁与水流斜交角度,桥墩宽度采用水流方向投影宽度,河床处桥墩投影宽度为5.7 m,设计洪水位处宽度为6.2 m,即考虑右岸上下游两排桥墩阻水的叠加影响(上下游桥墩均往桥梁轴线断面投影)来计算桥梁的阻水率。两种情况下的阻水率计算结果如表2。

表2 工程后200年一遇洪水过流面积变化

4 二维模型验算

验算模型采用平面二维非结构网格数学模型,为较好地模拟桥墩结构,计算模型采用四边形与三角形混合网格,对桥墩所在河段采用三角形网格,其他河段采用四边形网格模拟。共剖分为11 759个节点,14 862个网格单元,网格面积小于15 m2。

建桥后,200年一遇洪水时,评价河段流场如图2、图3所示,桥位段水位影响等值线图如图4所示。

图2 锦尚大桥工程河段建桥后流场

图3 桥位处局部流场

图4 桥位段水位影响等值线

二维模型计算结果表明:锦尚大桥左岸侧桥墩轴线基本平行于水流方向,上下游桥墩互相隐蔽,正交投影计算不增加桥墩阻水作用宽度,右岸桥墩虽略有交错,但桥墩上、下游间距约28 m,水流可由墩间绕流通过,拟建桥梁桥墩阻水作用实际未见明显叠加,右岸下游桥墩前最大壅水高度约0.03 m,至右岸上游桥墩处水位壅高值仅约0.005 m,说明下游桥墩的壅水作用到上游桥墩位置处已基本消除。事实上,二维数学模型计算的壅水高度除在桥墩迎水面因水流冲击爬高导致的壅水高度可达0.03～0.05 m外,桥梁上游断面壅水高度最大值普遍在0.015 m以下,远小于一维数学模型计算壅水值。

由于阻水率定义中以断面流速均匀分布为基本假定,用断面过流面积几何关系近似表征阻水率,对流速分布差异较大的情况,与实际阻水作用的关系将出现较大误差。事实上,阻水率的概念中应以单位宽度过流面积与当点流速的乘积计算桥墩阻水区域过流量与断面总过流量的比值,才能更好地反映桥墩对过流的影响。因拟建锦尚大桥桥墩处天然流速仅0.7～0.9 m/s,远小于主流流速,其实际阻水率按流速加权后将远小于前述几何法计算的阻水率成果。即使不考虑采用流速分布修正阻水率定义,从二维数等模型计算壅水等值线图也可看出,下游桥墩的壅水作用到上游桥墩位置处已基本消除,上下游桥墩壅水叠加作用基本不存在,采用第1种情况计算的阻水率4.4%已足以反映工程河段的阻水率。