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        數(shù)學(xué)模型在魯南高鐵跨河橋墩布置中應(yīng)用

        2020-09-16 01:04:52孟慶玲
        山東水利 2020年8期
        關(guān)鍵詞:阻水沂河橋墩

        劉 杰,孟慶玲,尹 凱

        (1.水發(fā)規(guī)劃設(shè)計有限公司,山東 臨沂 276000;2.山東省淮河海河小清河流域水利管理服務(wù)中心,山東 濟南 250100)

        魯南高鐵是山東省城際鐵路網(wǎng)的組成部分,以城際客流為主的客運鐵路。魯南高鐵在臨沂市蘭山區(qū)白沙埠鎮(zhèn)諸葛城村南跨越沂河,橋址處沂河中泓樁號為86+837。沂河為天然山洪河道,洪水形成歷時短、流速快、峰高量大、陡漲陡落。上游山區(qū)河道比降陡、切割深,下游平原河道比降小、彎曲大、主河槽凹凸相連。橋址所在河段附近河道較為順直,河床比降接近1/2 500,兩岸堤頂間距約為1 275 m,左邊灘寬182 m,右邊灘寬74 m,主槽寬1 019 m,現(xiàn)狀左岸堤頂高程為81.70 m,右岸堤頂高程為81.70 m。左岸路堤頂寬為25 m,右岸堤頂寬度為19 m,堤防邊坡臨水坡、背水坡均為 1∶3。

        通過數(shù)學(xué)模型計算分析魯南高鐵跨河橋墩布置方案,選出最優(yōu)方案,對于防洪影響、節(jié)省投資、加快施工進度具有重要意義。

        1 橋梁布置方案比選

        魯南高鐵跨越沂河共布置了三個方案進行比選:三個方案共同點為橋梁軸線與河道水流方向交角均為68°,橋墩與水流方向夾角為0°。橋梁與兩岸堤防連接方式均為立交,跨左右岸堤防型式分別為 (40.85+64+40.85)m 和 (48.85+80+48.86)m。

        方案一:跨沂河橋跨布置(40.85+64+40.85)m+33×32.7 m+1×27.25 m+(48.85+80+48.86)m;沂河河道斷面內(nèi)有 37 個橋墩,編號為 327#~363#,其中327#、328#、362#、363#墩為連續(xù)梁段橋墩,墩身長9.20~7.90 m,墩頂寬 4.4~3.2m,其余橋墩墩身長8.5 m,墩頂寬2.5 m;基礎(chǔ)均為鋼筋混凝土承臺+鉆孔灌注樁結(jié)構(gòu)。

        方案二:跨沂河橋跨布置采用(40.85+64+40.85)m+22×50m+(48.85+80+48.86)m;沂河河道斷面內(nèi)有25 個橋墩,編號為327#~351#,其中328#、327#、351#、350#墩為連續(xù)梁段橋墩,墩身長9.20~7.90 m,墩頂寬 3.2~4.4 m,其余灘地主槽內(nèi)圓墩,墩柱直徑為4.0 m;基礎(chǔ)均為鋼筋混凝土承臺+鉆孔灌注樁結(jié)構(gòu)。

        方案三:跨沂河橋跨布置采用(40.85+64+40.85)m+32.7 m+28.5 m+2×24.7 m+13×32.7 m+(48.85+80+48.85)m+4×32.7 m+8×32.8 m+(48.85+80+48.86)m。沂河河道斷面內(nèi)有35 個橋墩,編號為 327#~351#, 其 中 327#、328#、346#、347#、360#、361#墩為連續(xù)梁段橋墩,墩身長9.20~7.90 m,墩頂寬4.4~3.2 m,其余橋墩墩身長8.5 m,墩頂寬2.5 m;基礎(chǔ)均為鋼筋混凝土承臺+鉆孔灌注樁結(jié)構(gòu)。

        2 數(shù)學(xué)模型的建立

        本項目數(shù)學(xué)模型主要對橋梁跨越沂河上下游河段進行計算分析,所處河道水動力條件主要受上游河道下泄徑流的影響,采用工程附近局部二維水流數(shù)學(xué)模型的方法進行研究。本工程涉及河流均為天然河道,天然河道一般邊界曲折、地形復(fù)雜,對于復(fù)雜河段的水流運動數(shù)學(xué)模擬,多采用基于曲線網(wǎng)絡(luò)的坐標(biāo)變換方法,其中正交曲線變換和一般(非正交)曲線變換方法是兩種最常用的方法。本研究采用一般曲線坐標(biāo)變換方法。與正交曲線變換相似,一般曲線變換不受計算網(wǎng)格必須嚴(yán)格保證正交的限制,網(wǎng)格生成也較為靈活。

        2.1 邊界條件的選取

        1)進口邊界:根據(jù)已知進口全斷面流量,給定入流流量沿斷面的橫向分布。2)出口邊界:一般給定出口斷面的水位。3)岸邊界:岸邊界為非滑移邊界,給定基流速為零。4)動邊界:本工程模型采用“凍結(jié)”法進行動邊界處理,即根據(jù)水位結(jié)點處河底高程來判斷該網(wǎng)格單元是否露出水面,若不露出,糙率取正常值,反之,糙率取一個接近于無窮大的正數(shù)。同時為了不影響水流控制方程的求解,在露出水面的結(jié)點處需給定一個薄水層,給定其厚度為0.5 cm。

        根據(jù)水文分析成果,橋梁上游流量控制邊界在20 年一遇洪水條件下,設(shè)計最大洪峰流量10 000 m3/s,下游邊界設(shè)計洪水位79.72 m;橋梁上游流量控制邊界在100 年一遇洪水條件下,設(shè)計最大洪峰流量14 000 m3/s,下游邊界設(shè)計洪水位80.93 m。

        2.2 地形資料、計算范圍及網(wǎng)格布置

        1)地形資料:地形圖采用最新2015 年實測資料。

        2)計算范圍:橋址所在的沂河河段屬于平原區(qū)河道,所跨河寬超過1 km。根據(jù)大橋的布置方位,擬定模型范圍起點為距橋址上游2.5 km、終點為距橋址下游2.5 km,大致為5 km 的河段作為模型計算范圍。根據(jù)以往的工程經(jīng)驗,該計算范圍基本可以包括工程對所在河道行洪影響所及的范圍。

        3)網(wǎng)格布置:工程前二維計算模型共設(shè)網(wǎng)格94 955 個,節(jié)點數(shù)為47 824 個。橋墩布置方案一網(wǎng)格為92 871 個,節(jié)點數(shù)為47 134 個;橋墩布置方案二網(wǎng)格為75 905 個,節(jié)點數(shù)為38 558個;橋墩布置方案三網(wǎng)格為88 411 個,節(jié)點數(shù)為44 886 個。其中模型邊界處網(wǎng)格較大,最大網(wǎng)格尺寸為200 m2,橋墩附近網(wǎng)格局部加密,網(wǎng)格較小,最小網(wǎng)格尺寸為0.5 m2。

        2.3 計算參數(shù)選取及工程概化

        1)邊界條件及計算步長。上游進口斷面采用河道設(shè)計洪水分析成果,下游出口斷面采用河道水面線計算設(shè)計水位。按穩(wěn)定性要求,計算步長取1 s。

        2)糙率??紤]糙率對模型結(jié)果有較大影響,模型驗證主要是對糙率的調(diào)整,在缺少實測洪水的資料下,模型建立采用實測糙率,結(jié)果相對可信。

        3)橋墩概化。為使數(shù)學(xué)模型能盡可能反映工程對河道水流的條件,在網(wǎng)格劃分時盡可能對工程局部進行網(wǎng)格加密處理,保證項目所關(guān)注的橋址附近動力的模擬精度。并盡量減少橋墩概化與實際情況的差別,綜合考慮設(shè)置橋墩處網(wǎng)格空間步長為1 m。

        3 壅水分析計算

        3.1 阻水面積計算

        經(jīng)計算,得到各橋梁在各設(shè)計洪水頻率和水位下工程的阻水面積比見表1。

        方案一:河道內(nèi)共布置37 個橋墩,36 跨,除兩岸連續(xù)梁2 跨和1 跨27 m 外,其余單跨均為32.7 m,墩頂寬2.5 m,100 年一遇洪水條件下,工程阻水面積為544 m2,工程阻水比為7.56%;在20年一遇洪水條件下,工程阻水面積為424.4 m2,工程阻水比為7.59%;

        方案二:河道內(nèi)共布置25 個橋墩,24 跨,除兩岸連續(xù)梁2 跨外,其余均為單跨50 m,墩頂寬4 m,100 年一遇洪水條件下,工程阻水面積為572.0 m2,工程阻水比為7.95%。20 年一遇洪水條件下,工程阻水面積為441.0 m2,工程阻水比為7.89%。

        表1 擬建三種方案橋梁工程阻水比統(tǒng)計

        方案三:河道內(nèi)共布置35 個橋墩,34 跨,河道中心布置1 跨80 m,其兩側(cè)墩頂寬4 m,其余為簡支梁,跨徑分為 32.7 m、32.8 m、24.7 m、28.5 m四種,100 年一遇洪水條件下,工程阻水面積為536 m2,工程阻水比為7.45%。在20 年一遇洪水條件下,工程阻水面積為420 m2,工程阻水比為7.51%。

        通過計算分析,方案三阻水面積最小,阻水百分比比方案一和方案二分別減小0.11%和0.5%。

        3.2 壅水影響計算

        為了反映各個方案橋梁工程的橋墩布置對河道防洪的影響,在擬建工程上下游河道布置了多個水位采樣斷面,方案一橋墩布置方案在20年一遇和100 年一遇的洪水條件下,工程上游水位最大壅高值分別為0.014 m 和0.018 m,壅水長度約為2 km。

        方案二橋墩布置方案在20 年一遇和100 年一遇的洪水條件下,工程上游水位最大壅高值分別為0.016 m 和0.022 m,壅水長度約為2~2.5 km。

        方案三橋墩布置方案在20 年一遇和100 年一遇的洪水條件下,工程上游水位最大壅高值為0.015 m 和0.020 m,壅水長度約為2 km。

        綜上所述,3 個方案的橋梁布置工程引起的上游水位壅高基本局限于工程上游2 km 范圍內(nèi),位于橋址附近,而工程上下游其余區(qū)域水位基本無變化。100 年一遇洪水條件下,方案一水位壅高0.018 m,方案二水位壅高0.022 m,方案三水位壅高0.020 m。

        3.3 河勢影響分析

        擬建橋梁占用了河道行洪斷面,導(dǎo)致工程附近水域水動力條件發(fā)生變化,對工程附近河勢產(chǎn)生了影響。因此,分別對三種橋梁布置方案在20年、100 年一遇的洪水條件下對河勢影響進行計算分析。

        在20 年一遇洪水計算條件下,方案一墩前和墩后流速最大減小了1.8 m/s,橋墩兩側(cè)流速最大增加了0.45 m/s;方案二墩前和墩后流速最大減小了1.65 m/s,橋墩兩側(cè)流速最大增加了1.75 m/s;方案三墩前和墩后流速最大減小了1.65 m/s,橋墩兩側(cè)流速最大增加了0.3 m/s。

        在100 年一遇洪水計算條件下,方案一墩前和墩后流速最大減小了1.5 m/s,橋墩兩側(cè)局部流速最大增加了0.45 m/s;方案二墩前和墩后流速最大減小了1.65 m/s,橋墩兩側(cè)局部流速最大增加了0.45 m/s;方案三墩前和墩后流速最大減小了1.65 m/s,橋墩兩側(cè)局部流速最大增加了0.45 m/s。

        從整體上來看,無論是20 年重現(xiàn)期還是100年重現(xiàn)期計算條件下,方案一和方案三的橋墩布置下,計算結(jié)果流速較為接近,相比方案二的計算結(jié)果均變化較小。對于20 年一遇計算方案,在河道右岸,由于受到河道邊界的限制以及橋墩的阻水作用,在橋墩上部區(qū)域流速略微增大,大致為0.15 m/s 左右。對于河道中心橋墩附近,方案三大跨度橋墩的墩后水流流速最大減小了1.65 m/s,方案一河道中心橋墩墩后流速最大減小了1.8 m/s。從流態(tài)上看,工程后僅工程局部區(qū)域流態(tài)發(fā)生了變化,其他區(qū)域流態(tài)變化較小。整體流場平順,無不良紊亂流場產(chǎn)生,對河道主流影響不大。工程對河道整體流態(tài)和流勢影響較小。

        4 結(jié) 論

        綜上,對比各個橋墩布置方案的計算結(jié)果,發(fā)現(xiàn)無論在20 年重現(xiàn)期還是100 年重現(xiàn)期計算條件下,方案二的計算結(jié)果均最為不利。方案一和方案三在河道的場、工程前后流速變化以及壅水等計算結(jié)果上均較為相近,考慮到方案三在20年一遇工況下,中間河道大跨度橋墩的墩后流速減小幅度略小于方案一墩后流速,說明方案三中心大跨度橋墩的布置對河道的流態(tài)影響相對略小。綜合考慮,推薦方案三作為沂河特大橋的橋墩布置形式。

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