毛世民 陳先樸

（安徽省·水利部淮委水利科學(xué)研究院 蚌埠 233000）

1 前言

蚌埠淮河鐵橋是千里淮河第一橋。由英國工程師設(shè)計(jì)，1908年開始查勘選址，經(jīng)過對臨淮關(guān)、荊涂二山間及蚌埠三處進(jìn)行比較后，選定河床有巖石出露的蚌埠北岸孫臺子到南岸小南山一線，采用固定式桁梁橋。設(shè)計(jì)橋長572m，9孔8墩，孔距61m，梁底高于設(shè)計(jì)水位10.7m。淮河比降平緩，建橋壅水延伸較遠(yuǎn)。近30年來，從渦河口到沫河口40km河段已先后建起8座橋梁，還有幾座橋梁仍在規(guī)劃中。因而建橋壅水對防洪的影響受到關(guān)注，列為研究課題，開展原型觀測。老鐵橋所處河段的邊界條件和水流條件較為復(fù)雜，影響壅水的因素多。原型觀測難以“隔離”出橋墩壅水值，獲取有用信息。本文回顧有關(guān)研究概況，介紹鐵橋所處淮河蚌埠段的水流特性，提出用數(shù)學(xué)模型研究橋梁壅水和防洪影響評價的建議，供有關(guān)方面參考。

2 研究概況

1980 年，淮委規(guī)劃設(shè)計(jì)院用矩形河槽水流能量方程及已有的橋墩壅水研究成果，得出設(shè)計(jì)洪水下，蚌埠老鐵橋壅水0.11m，估計(jì)壅水影響可達(dá)正陽關(guān)，增加防汛壓力，消除這一壅水影響的河道整治工程（退堤、切灘）的土方量約400 萬 m3。

1986 年，安徽水科院進(jìn)行了蚌埠老鐵橋氣流整體模型試驗(yàn)、氣流斷面模型試驗(yàn)和水流斷面模型試驗(yàn)，三者成果基本一致，推算得出：蚌埠河段整治前，橋梁壅水為0.025m～0.04m，整治后為0.01m。

1997 年，安徽水科院淮河中游河床演變研究課題分析得出：鐵橋所處的淮河蚌埠段的中段，即席家溝至吳家渡長3.4km的河段，受深泓彎曲、巖基礁石挑流及橋墩阻水的共同作用，呈現(xiàn)流向偏斜、回流擠壓、單寬流量集中的復(fù)雜流態(tài)，導(dǎo)致局部損失增大，成為行洪的瓶頸，巖基礁石挑流的摩阻損失最大并增大橋墩阻水。

1997 年，安徽水科院淮河中游河床演變研究另一項(xiàng)課題“淮河蚌埠段水力特性數(shù)學(xué)模型研究”，限于當(dāng)時臺式計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力，沒有采用數(shù)學(xué)模型手段計(jì)算橋墩阻力，而是參考安徽水科院原有的物理模型研究成果，以加大鐵橋上下游河床糙率的方法考慮橋墩阻力影響。鐵橋下游100m范圍內(nèi)糙率值按河床糙率的2倍計(jì)算，鐵橋上游礁石處糙率取0.06，使得數(shù)學(xué)模型計(jì)算的橋墩阻力與原有的物理模型研究成果基本一致。

1999 年，“淮河蚌埠段河道整治數(shù)學(xué)模型”，同樣沒有采用數(shù)學(xué)模型手段計(jì)算橋墩阻力，而是按照指定的每個橋梁壅水3cm，以加大橋梁上下游河床糙率的方法考慮橋墩阻力的影響。

2006 年以來，對蚌埠鐵路復(fù)線橋壅水進(jìn)行了原型觀測，但沒有取得有實(shí)用價值的成果。

上述研究結(jié)果，不盡一致。研究的難度在于：（1）橋梁壅水受三維水流流態(tài)和橋墩形狀尺寸影響，其數(shù)值以mm計(jì)，對原型觀測和模型試驗(yàn)的精度要求高；（2）橋梁壅水的防洪影響評價是針對大洪水，原型觀測只有遇到流量大于6000m3/s的水情才有意義，在預(yù)定的觀測期間，不一定能遇到這種水情，除非大洪水來臨時，組織觀測；（3）壅水受多種因素影響，原型觀測不能將橋梁壅水“隔離”出來；（4）研究壅水影響長度和對防洪影響，模擬的河段要有足夠的長度（上百公里），使用物理模型的費(fèi)用很大；（5）用數(shù)學(xué)模型模擬橋墩形狀需提高計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力和選取模型的計(jì)算參數(shù)。做好這項(xiàng)研究需要總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，探討如何利用物理模型和數(shù)學(xué)模型相結(jié)合的途徑，或單獨(dú)依靠數(shù)學(xué)模型解決橋梁壅水問題以確定壅水高度、影響長度，評價建橋的防洪影響及需要采取的工程措施。

3 河道概況

淮河蚌埠段，上至蚌埠閘，下至龍子河口，長約12.4km，按照防洪規(guī)劃：設(shè)計(jì)洪水流量13000m3/s，吳家渡水位22.6m，蚌埠閘下水位23.1m；蚌埠閘下至吳家渡水位差0.5m；洪水水面比降0.0000555。為了達(dá)到規(guī)劃要求，需要實(shí)施退堤、切灘等一系列整治工作。

表1 矩形河槽壅水影響計(jì)算

河道自蚌埠閘下至席家溝為順直微彎，再下為兩個反向彎段，深泓線彎曲半徑分別為800m和3000m。按照河道形態(tài)可將這一河段分為上、中、下三段（圖1）。上段（蚌埠閘下至席家溝）長約5.6km；中段（席家溝～吳家渡）長約3.4km；下段（吳家渡～龍子河口）長約3.4km?？菟谒坏陀?3m時，可以看到鐵橋南岸有大片巖基礁石露出。實(shí)測河道地形圖顯示，鐵橋處在中段深坑中，最低點(diǎn)接近0高程。其上下游深泓高程在5m以上（圖2）。12m和10m等高線向北突出約100m（圖3），對于水流有類似丁壩的挑流作用，使南岸流向偏斜，伴有大片回流，導(dǎo)致單寬流量集中系數(shù)高達(dá)2.5～2.7。根據(jù)1972～1984年1#水尺（蚌埠閘下）、2#水尺（鐵橋上游1500m）、3#水尺（吳家渡）的觀測資料，洪峰附近的水面比降 ：1#～2#間 為 0.000034；2#～3#間 為0.000066；1996年加測鄭家渡水位（4#水尺），得到 3#～4#間水面比降為0.000056。這一組數(shù)據(jù)表明2#～3#間，即鐵橋上下約2.9km河段的局部摩阻集中，是行洪的瓶頸。

4 阻水因素分析

鐵橋河段的阻水因素主要有：主流彎曲、巖基礁石挑流、橋墩及斷面變化等。已有試驗(yàn)研究表明，如來流均勻，老鐵橋壅水不超過2cm。鐵橋上下的高水位差是多項(xiàng)阻水因素綜合作用的結(jié)果，不能歸于橋墩壅水。巖基礁石挑流不僅本身摩阻損失大，而且造成流向偏斜及單寬流量集中，加大橋墩阻水和水流彎曲，是鐵橋河段壅水的主要成因。

參考有關(guān)丁壩壅水、橋墩壅水及彎曲段水力損失的研究成果，計(jì)及水流分布的不均勻性，粗略估算現(xiàn)狀邊界條件下通過Q=13000m3/s的局部摩阻損失：橋墩——0.04～0.05m；主流彎曲——0.04～0.05m；巖基礁石挑流——0.06～0.07m； 三 者 合計(jì)——0.14～0.17m。

5 壅水影響長度

壅水影響長度L隨壅水高△h。影響值△h、河段糙率n、坡降i、水深h、河寬B、流量Q等因素而變化，可通過數(shù)學(xué)模型確定。為了取得量的概念，陳先樸曾用概化的一維恒定緩變流運(yùn)動方程估算。

舉例：對于流量Q=13000m3/s，河寬B=1000m,糙率n=0.025，計(jì)算的矩形河槽壅水影響長度見表1。

可見對于坡降平緩的淮河，壅水影響長度很大。多座橋梁的壅水影響值會產(chǎn)生疊加，對防洪的影響不容忽視。

6 橋墩壅水?dāng)?shù)學(xué)模型驗(yàn)證計(jì)算

前幾年國內(nèi)外橋梁壅水的數(shù)學(xué)模型比較粗糙，網(wǎng)格很粗，橋墩形狀達(dá)不到相似，不能準(zhǔn)確模擬壅水高度。其壅水高度不是依靠數(shù)學(xué)模型計(jì)算得出，而是將數(shù)學(xué)模型計(jì)算的壅水高度湊到水力學(xué)計(jì)算公式或者物理模型試驗(yàn)的成果上。當(dāng)時的困難在于，要滿足一定計(jì)算精度必須劃分較密的網(wǎng)格，因此需要性能較高的計(jì)算機(jī)和較多的經(jīng)費(fèi)。

臺式計(jì)算機(jī)的進(jìn)步，為單獨(dú)依靠數(shù)學(xué)模型解決橋梁壅水問題提供了可能。2009年，陳先樸為建議用數(shù)學(xué)模型研究淮河蚌埠段建橋的防洪影響進(jìn)行了前期研究。通過加密橋墩附近計(jì)算網(wǎng)格（圖4），調(diào)整橋墩上游100m到下游200m范圍內(nèi)的紊動粘性系數(shù)，取得的模擬流速分布、流速向量、流態(tài)、水位、水面線、壅水高度與二元水槽試驗(yàn)成果一致（圖5～6）。說明目前使用普通臺式計(jì)算機(jī)，已經(jīng)可以對淮河蚌埠段各個橋梁進(jìn)行精確的模擬計(jì)算。對多座橋梁聯(lián)合作用下壅水影響范圍和消除影響的工程措施研究，如果使用高級計(jì)算機(jī)，也可以在同一個數(shù)學(xué)模型中完成。如果使用普通臺式計(jì)算機(jī)，則分別計(jì)算每個橋梁的壅水，然后用一般網(wǎng)格密度的河道數(shù)學(xué)模型，解決多座橋梁聯(lián)合作用下壅水影響范圍和消除影響的工程措施。在此數(shù)學(xué)模型上，橋梁用200m河段增大河床糙率代替，使各橋梁壅水與前面分別計(jì)算的精確橋梁壅水?dāng)?shù)學(xué)模型計(jì)算出來的結(jié)果一致，方法經(jīng)濟(jì)、快速、靈活、精確。

7 結(jié)語和建議

蚌埠老鐵橋所處河段的邊界條件和水流條件比較復(fù)雜，增加了橋梁壅水研究的難度。要取得滿意的成果，必須與河道水流特性研究結(jié)合，采取合理的研究方法。原型觀測受多種因素的限制，得到的信息不多，難以將橋墩壅水從河段壅水中“隔離”出來；物理模型研究，要求正態(tài)或小變態(tài)、大比尺，如預(yù)報影響長度，模擬的河段很長，相應(yīng)的費(fèi)用較大；數(shù)學(xué)模型軟硬件的進(jìn)步，為單獨(dú)依靠數(shù)學(xué)模型解決橋梁壅水問題提供可能，建議用于研究淮河老鐵橋與其他橋梁壅水和防洪影響評價