嚴(yán) 軍，卓 飛，陳 建，田 磊，張麗娟

(華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450011)

沙河京廣鐵路大橋河段通航水流條件數(shù)值模擬

嚴(yán) 軍，卓 飛，陳 建，田 磊，張麗娟

(華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450011)

沙河復(fù)航工程在漯河市推薦線上存在橋梁凈空低于IV級通航標(biāo)準(zhǔn)，橋孔內(nèi)局部水流流速超過設(shè)計(jì)要求，不滿足通航水流條件的情況，需要對航道內(nèi)的礙航橋梁進(jìn)行改建。本文運(yùn)用Mike軟件建立沙河漯河市境內(nèi)從上游泰山路彩虹橋下約200 m，到下游黃河路沙河橋下約500 m的京廣鐵路橋上下游河段的平面二維水沙數(shù)學(xué)模型，并根據(jù)實(shí)測設(shè)計(jì)洪水、最高通航水位和最低通航水位推求模型在漯河水文站的水位，與實(shí)測漯河水文站的水位進(jìn)行對比，檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷倪m用性。利用所建立的平面二維水沙數(shù)學(xué)模型，對設(shè)計(jì)方案下航道內(nèi)京廣鐵路橋橋墩附近流場、航道內(nèi)水面線比降、航道內(nèi)水流流速進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，分析模擬河段的通航水流條件。計(jì)算分析表明，設(shè)計(jì)最高通航水位和設(shè)計(jì)最低通航水位情況下，京廣鐵路橋橋墩附近流場流速、航道內(nèi)水面比降和橫縱向流速均減小，設(shè)計(jì)主航道的水流條件符合IV級通航標(biāo)準(zhǔn)。

IV級通航標(biāo)準(zhǔn)；平面二維水沙數(shù)學(xué)模型；通航水流條件

1 研究背景

沙河復(fù)航工程是河南省公路、水路交通運(yùn)輸?shù)闹匾M成部分，其中沙河從漯河至平頂山段航運(yùn)工程位于沙潁河上游，規(guī)劃通航標(biāo)準(zhǔn)等級為IV 級，但是在漯河市區(qū)段推薦線上現(xiàn)有橋梁為15座，除鄭武高鐵鐵路橋可以雙向通航以外，其余14座橋梁凈空尺度都低于IV級通航標(biāo)準(zhǔn)，其中京廣線鐵路橋、漯阜鐵路橋及范辛鐵路橋均不滿足通航要求，為礙航橋梁。為了使河段內(nèi)的通航水流條件符合IV級航道標(biāo)準(zhǔn)，需要改建礙航橋梁。

從上游漯河市泰山路彩虹橋下約200 m起，到下游黃河路沙河橋下約500 m止的河段，水流條件的好壞關(guān)系到沙河復(fù)航工程能否順利進(jìn)行，且該河段內(nèi)京廣鐵路橋?yàn)橹匾煌ㄔO(shè)施，對其進(jìn)行改建難度較大。因此，選擇京廣鐵路大橋上下游河段為模擬河段(如圖1)，建立平面二維水沙數(shù)學(xué)模型[1-4]，應(yīng)用數(shù)值模擬軟件Mike對設(shè)計(jì)方案選定的河段進(jìn)行數(shù)值模擬，分析通航水流條件。

圖1 京廣鐵路大橋上下游模擬河段

2 設(shè)計(jì)方案概述

天然狀況下，河段為窄深式河道，河谷形態(tài)主要呈“U”型，局部呈“V”型。設(shè)計(jì)方案是將河道開挖呈梯形斷面，斷面底寬為50 m，高程為49 m，邊坡為1∶6，航道在金山路金山橋下游彎曲段部分進(jìn)行航道的適當(dāng)加寬。昆侖路交通橋、金山路金山橋原為城市橋梁，選擇原橋址處改建，昆侖路交通路橋主橋采用系桿拱橋，跨徑布置100 m，橋面改建后總寬為24 m；金山路金山橋主橋采用系桿拱橋，跨徑布置110 m；京廣鐵路橋原為鐵路橋，選擇移位改建，橋梁改建為中間一跨100 m，兩個邊跨各跨寬都是48 m，通航凈高為8 m，側(cè)高5 m。

3 平面二維水沙數(shù)學(xué)模型及驗(yàn)證

3.1 二維淺水控制方程

根據(jù)京廣鐵路橋上下游模擬河段的實(shí)際問題，依據(jù)模型的二維控制方程和有關(guān)的定解條件，然后在滿足定解的條件下，解出方程組。

(1)

(2)

(3)

3.2 流場定解條件

3.2.1 邊界條件

(1)進(jìn)口邊界條件：進(jìn)口開邊界采用上游來流過程Q(t)=Qin(t)，Qin為開邊界上流量。

(2)出口邊界條件：本文采用下游的水位確定。

(3)陸地邊界：在不考慮滲透的情況下，可以認(rèn)為陸地邊界上法向速度為零；根據(jù)水流無滑動原理，水體在陸地邊界上的切向流速也應(yīng)為零。

3.2.2 初始條件

3.3 數(shù)值模擬相關(guān)問題處理

(1)模型范圍及地形邊界

綜合考慮水文資料、河勢及工程研究內(nèi)容等因素，選取京廣線鐵路大橋上游1.6km處和京廣鐵路大橋下游3.3km范圍為模擬計(jì)算區(qū)域。

(2)模型網(wǎng)格剖分

根據(jù)研究問題的特點(diǎn)和數(shù)值計(jì)算速度和精度的要求，采用非結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格；在京廣鐵路橋及其附近的網(wǎng)格進(jìn)行了加密，在相應(yīng)昆侖路交通橋和金山路金山橋處橋墩附近網(wǎng)格也進(jìn)行加密，網(wǎng)格數(shù)為24 653；其中，河道灘地范圍內(nèi)網(wǎng)格邊長控制在5m以內(nèi)，京廣鐵路橋等橋墩附近最小網(wǎng)格尺寸約0.25m，計(jì)算網(wǎng)格示意圖如圖2所示。

(3) 模型參數(shù)確定

河道二維數(shù)模計(jì)算所采用的糙率，是一個綜合系數(shù)。根據(jù)收集的實(shí)測資料和模型的驗(yàn)證，主槽糙率為0.025～0.035之間，邊灘糙率為0.035～0.05之間。

圖2 計(jì)算網(wǎng)格示意

(4) 動邊界處理

對計(jì)算區(qū)域內(nèi)灘地干濕過程，采用水位判別法處理。

3.4 計(jì)算方案

為了能夠更加準(zhǔn)確地反映航道的通航水流條件，綜合考慮頻率洪水以及特征通航水位的差異，選擇河道設(shè)計(jì)洪水和航道設(shè)計(jì)最高通航水位對應(yīng)流量及最低通航水位不同計(jì)算工況作為模擬計(jì)算方案。其中，模型出口水位采用漯河水文站和漯河節(jié)制閘水位進(jìn)行推算。具體數(shù)學(xué)模型計(jì)算方案特征流量和水位見表1。

表1 京廣鐵路橋河段數(shù)學(xué)模型計(jì)算方案特征流量和水位

本次數(shù)學(xué)模擬計(jì)算采用模擬河段漯河水文站的實(shí)測水位數(shù)據(jù)進(jìn)行水位驗(yàn)證。根據(jù)漯河水文站的地理位置以及模擬計(jì)算結(jié)果查得相應(yīng)位置處的水位。設(shè)計(jì)洪水位、設(shè)計(jì)最高通航水位及設(shè)計(jì)最低通航水位三種水位情況下，漯河水文站實(shí)際水位和按照設(shè)計(jì)方案斷面調(diào)整后數(shù)學(xué)模擬計(jì)算水位的對比如表2所示。

數(shù)學(xué)模型在設(shè)計(jì)洪水位和設(shè)計(jì)最高通航水位條件下計(jì)算值與實(shí)測值比較吻合，誤差在0.01 m，相對誤差0.02%。在設(shè)計(jì)最低通航水位條件下誤差為0.14 m，相對誤差略大，主要原因是在實(shí)際情況下由于漯河節(jié)制閘的壅水作用使得漯河水文站的實(shí)際水位較設(shè)計(jì)水位偏高，而設(shè)計(jì)水位在漯河節(jié)制閘至漯河水文站都是56.00 m，沒有考慮節(jié)制閘壅水的影響。所有工況水位相對誤差均小于0.3%，表明本數(shù)學(xué)模型可以研究京廣鐵路橋典型河段的通航水流條件等工程問題。

表2 調(diào)整后漯河水文站實(shí)測水位和計(jì)算水位的對比

4 設(shè)計(jì)方案數(shù)值模擬計(jì)算成果分析

4.1 京廣鐵路橋斷面處的流場分析

跨越河流的橋梁工程主要由于橋墩、橋臺對水流的束窄阻水作用使局部水流流態(tài)發(fā)生變化，影響航道內(nèi)的水流條件[5-7]。京廣鐵路大橋跨越沙河，其改建后，必會對河道上下游產(chǎn)生影響。為了分析京廣鐵路大橋改建后對通航條件的影響，選取橋墩附近的一系列點(diǎn)，分析設(shè)計(jì)方案中三種水位工況下京廣鐵路橋斷面的流場(如圖3)。

圖3 三種特征水位情況下京廣鐵路橋斷面的流場

三種特征水位情況下流場模擬結(jié)果如下。

(1)設(shè)計(jì)洪水情況下，橋墩前斷面流速減小的幅度較小，最大減小0.08 m/s。橋墩后斷面流速減小的幅度比較大，最大減小0.535 m/s。橋墩處流速減小的幅度也較大，最大減小0.645 m/s。

(2)設(shè)計(jì)最高通航水位情況下，橋墩前斷面流速減小的幅度較小，最大減小0.27 m/s。橋墩后斷面流速減小的幅度比較大，最大減小0.415 m/s。橋墩處流速減小的幅度也較大，最大減小0.537 m/s。

(3)設(shè)計(jì)最低通航水位情況下，橋墩前斷面流速減小的幅度較小，最大減小0.218 m/s。橋墩后斷面流速減小的幅度比較大，最大減小0.496 m/s，橋墩處流速減小的幅度也比較大，最大減小0.54 m/s。

分析表明：三種特征水位情況下，橋墩附近的流速減小了約15%。由于河道開挖加深，橋墩前斷面、橋墩處、橋墩后斷面水深均增大2 m左右。三種水位情況下，設(shè)計(jì)最高通航水位和設(shè)計(jì)最低通航水位的水流條件，基本可以滿足IV級通航標(biāo)準(zhǔn)。

4.2 水面線分析

由于本設(shè)計(jì)方案只有在設(shè)計(jì)最高通航水位和設(shè)計(jì)最低通航水位工況內(nèi)河道可以通航，故選取設(shè)計(jì)最高通航水位和設(shè)計(jì)最低通航水位分析，計(jì)算結(jié)果如圖4和圖5所示。

圖4 最低通航水位時主航道沿程水面線

圖5 最高通航水位時主航道沿程水面線

由圖4—圖6可見，在昆侖路交通橋到金山路金山橋設(shè)計(jì)情況下的水位都低于天然狀況下的水位，且比降都較天然狀況下小。這是因?yàn)樘烊粻顩r下橋墩附近斷面窄，橋墩上游水位被壅高，過流能力差[8]。疏浚和調(diào)整橋墩之后，加大了過流能力，經(jīng)過橋墩后水位沒有出現(xiàn)較陡的跌落，說明該設(shè)計(jì)方案有效地降低了水位，提高了河道行洪能力，減小了水面比降，有利于通航。

4.3 流速分析

設(shè)計(jì)最高和最低通航水位時，航道內(nèi)天然狀況和設(shè)計(jì)狀況下沿流向流速對比如圖7所示。

圖6 最高和最低通航水位時主航道水深沿程變化

圖7 最高和最低通航水位時主航道流速沿程變化

由圖7可見，在設(shè)計(jì)狀況下，航道內(nèi)的縱向流速均有所減小，但在橋孔內(nèi)水流流速變化較明顯。在京廣鐵路橋附近，由于天然狀況橋梁橋墩較多，所以橋墩繞流較明顯，橋孔之間的流速受繞流和橋墩影響，其上下游速度較大。工程狀況下，由于橋孔橋跨增加，橋墩附近繞流流速減小，同時對擬建工程河段河床地形進(jìn)行了修整，所以導(dǎo)致京廣鐵路橋工程改建后流速有所增大，但流速增加一般在0.2 m/s左右，對通航水流條件沒有影響。因此，設(shè)計(jì)方案下，航道通航水流條件符合IV級通航標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié) 論

綜合分析數(shù)值模擬的計(jì)算結(jié)果，得到以下結(jié)論：

(1)在現(xiàn)有天然狀況下，水深滿足要求，橋墩影響區(qū)外流速可以滿足通航要求，但河道內(nèi)已修橋梁通航凈空尺度，京廣鐵路橋橋墩附近繞流流速較大，不滿足要求。

(2)橋梁改建設(shè)計(jì)方案中，在設(shè)計(jì)最高通航水位和最低通航水位下，航道內(nèi)水面比降、航道內(nèi)主航道流速及京廣鐵路橋橋墩附近流速均符合IV級通航標(biāo)準(zhǔn)。

[1] 李義天，趙明登，曹志芳．河道平面二維水沙數(shù)學(xué)模型[M]．北京：中國水利水電出版社，2001．

[2] 謝鑒衡．河流模擬[M]．北京：水利電力出版社，2007．

[3] 關(guān)建偉．平面二維水沙數(shù)學(xué)模型的研究與應(yīng)用[D]．天津：天津大學(xué)，2010．

[4] John E，Richardson,Vijay G，et al.Three-Dimensional Simulation of Scour-Inducing Flow at Bridge Pier[J]．Journal of Hydraulic Engineering，1998，124( 5)：530-540.

[5] 李彬，孫東坡，賴冠文，等．橋墩布置形式對橋墩繞流及局部流場的影響[J]．中國農(nóng)村水利水電，2013(7):129-134．

[6] 范平易，鄒早建，汪淳．基于橋區(qū)水流數(shù)值模擬的橋墩對通航影響分析[J]．中國航海，2010，33(1):37-41．

[7] 鞠俊，聞云呈．橋墩對水流影響的二維數(shù)值模擬[C]//第十三屆中國海洋(岸)工程學(xué)術(shù)討論會論文集，2007：288-292．

[8] 彭永勤，彭濤．橋墩對沱江二維流場影響研究[J]．重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2012，31(2)：203-205．

The navigable flow conditions of Shahe river section of Beijing-Guangzhou railway bridge perform the numerical simulation calculations

YAN Jun，ZHUO Fei，CHEN Jian，TIAN Lei，ZHANG Lijuan

(NorthChinaUniversityofWaterResourcesandElectricPower，Zhengzhou450011,China)

The navigation project of Shahe river in Luohe city is recomended that the clearance of the bridges along the line should be lower than level-IV navigation standards．Local flow velocity within bridge openings exceeds the design requirements，which can not meet the navigable flow conditions．Therefore，it is necessary to rebuild the bridges in the waterway that block the navigation．In this paper，we used the Mike software to establish the plane 2D water-sand mathematical model of Shahe river section of Beijing Guangzhou railway bridge，which is located in Luohe,Taishan road,rainbow bridge under about 200m,the lower reaches of the the Yellow river road,Shahe bridge under about 500m，and according to the actual design flood,the highest navigable water level and lowest navigable water level push model in Luohe hydrological station water level，which is compared with measured water level and test the model applicability.We also used the mathematical model to perform the numerical simulation calculations for the flow fields close to the piers of various bridges，water line ratio drop within the waterway，and flow velocity within the waterway in the design plan，and analyzed the navigable flow conditions in the river section．The calculations and analysis showed that the flow field near the piers，water surface slope in the waterway，and horizontal and vertical velocities were reduced under the designed highest navigable water level and the designed lowest navigable water level，and the water conditions in the designed main waterway met the level-IV navigation standard．

level-IV navigation standards；the plane 2D water-sand mathematical model；the navigable flow conditions

鄭州市創(chuàng)新型科技領(lǐng)軍人才項(xiàng)目(121PLJRC527)

嚴(yán) 軍(1971-)，男，教授，主要從事港航工程及河流動力學(xué)方面的研究。E-mail：476467495@qq.com

U612

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2096-0506(2015)05-0001-07