王典斌

(中鐵二院工程集團有限責任公司，四川 成都 610031)

0 引 言

隨著《交通強國建設綱要》的頒布和推進，西部山區(qū)將修建更多大跨度橋梁以滿足交通網(wǎng)絡建設的需求。我國西部海拔明顯高于東部，河流流向多為由西向東，由于西部山區(qū)的海拔變化顯著、河流落差大，是水電站建設的有利地點。隨著大型水電站的修建，壩址上游水位顯著抬高，上游水體面積增大，導致原來低于庫區(qū)水位的壩體上游峽谷溝壑地貌被水淹沒。水壩不但會改變峽谷的原始地貌，也會使峽谷內的風環(huán)境發(fā)生改變[1]。當大跨度橋梁跨越大壩庫區(qū)時，水壩可能會對橋梁抗風穩(wěn)定性能造成未知的影響[2，3]。

數(shù)值風洞方法(CFD)因其流場可視化和經(jīng)濟性被廣泛用于模擬山區(qū)河谷等復雜地形的三維風場[4-10]。文獻[4]采用多種湍流模型，對6.9 km×10.1 km范圍的地形進行研究，并跟現(xiàn)場實測的結果進行了驗證。周志勇等[5]對27 km×23 km的大范圍區(qū)域的復雜地形進行了風環(huán)境的CFD模擬，研究了網(wǎng)格類型和網(wǎng)格尺度劃分對計算結果的影響。

本文針對西部山區(qū)某大跨度懸索橋橋址區(qū)，通過數(shù)值模擬方法，對比分析了橋址區(qū)風環(huán)境，探究了新建水壩對風環(huán)境的影響。

1 橋址區(qū)風環(huán)境數(shù)值模擬方法

1.1 橋址區(qū)地形條件

以西部山區(qū)某大跨度橋梁的橋址區(qū)為研究背景，該橋址區(qū)地形變化急劇，風場分布復雜，且橋梁下游1 km處擬新建一水壩，建立水壩前常水位距橋面高度約500 m，水壩建成后常水位升高約120 m，距橋面高度減小至380 m。水壩建立前后的地形表面如圖1所示。

圖1 橋址區(qū)地形表面

1.2 模型建立及邊界條件

針對本橋址區(qū)地形地貌特點，兼顧計算效率與精度，以橋位中心為分析范圍的中心，地形范圍取為20 km×20 km。建模時高程點間隔取為20 m，計算區(qū)域底部以山體、河流為界，底部與頂部高程差取為20 000 m。采用四面體非結構化網(wǎng)格對計算區(qū)域進行離散，共劃分301萬個網(wǎng)格。

風場計算中入口處來流邊界層高度取為4 000 m，高程4 000 m以上部分風速取為50 m/s，高程4 000 m以下部分按B類地表(標準氣象站場地)風速隨高度變化的指數(shù)規(guī)律進行設置，如式(1)所示。橋面高度對應的入口風速為37 m/s。

(1)

2 計算結果及分析

2.1 工況設置

南向來流與主梁軸線近乎垂直，由于考慮橋位下游1 km左右處的水壩會對南方來流產生一定的阻擋作用，橋址區(qū)的風環(huán)境可能發(fā)生改變。本文主要針對兩種工況，對其在水壩建成前后的流場等進行對比分析，工況設置情況見表1。

表1 工況設置表

分別用u、v、w表示橫橋向風速、順橋向風速、豎向風速分量，風攻角α定義如式(2)式所示。

(2)

2.2 水壩對橋址區(qū)近地面風環(huán)境的影響

計算兩種工況考慮水壩影響前后橋址區(qū)近地面整體橫橋向風速分布，如圖2、圖3所示。

圖2 地形整體橫橋向風速分布(工況1)

圖3 地形整體橫橋向風速分布(工況2)

對于工況1，由圖2可知，是否考慮水壩對橋址區(qū)近地面的橫橋向風速影響不大，對橋位周圍近地面的流線影響不大。

對于工況2，由圖3可知，在未考慮水壩影響時，橋址區(qū)近地面的橫橋向風速普遍大于20 m/s，而在考慮水壩影響后，橋址區(qū)近地面的橫橋向風速減小到20 m/s以下。這是因為在未考慮水壩影響時，橋位周圍近地面的流線方向較為分散，但都幾乎垂直于橋軸線，而在考慮水壩影響后，橋位周圍近地面的流線方向發(fā)生了變化，絕大部分都朝向北偏東方向，與橋軸線形成了一定的夾角。

2.3 水壩對主梁橫橋向風速的影響

為考察橋位周圍的橫橋向風速分布，將橋軸線所在立面取出進行對比分析，如圖4、圖5所示。

圖4 橋軸線剖面橫橋向風速分布(工況1)

圖5 橋軸線剖面橫橋向風速分布(工況2)

對于工況1，由圖4可見，在未考慮水壩影響時，橋軸線剖面的橫橋向風速在橋面高度處僅有橋梁兩端很小部分區(qū)域小于40 m/s，在橋梁中間大部分區(qū)域都超過40 m/s。而在考慮水壩影響后，靠西岸一側橋面高度處的一極小區(qū)域的橫橋向風速大于50 m/s，其余區(qū)域的橫橋向風速有所降低，超過40 m/s風速的區(qū)域減小。

對于工況2，由圖5可見，在未考慮水壩影響時，橋軸線剖面的橫橋向風速在橋面高度處均大于30 m/s，中間位置處有極小部分區(qū)域的橫橋向風速超過40 m/s。而在考慮水壩影響后，橋位高度處的風速急劇減小，只有極小部分區(qū)域的橫橋向風速超過30 m/s，有接近一半的區(qū)域的風速小于20 m/s，其余部分的風速在20～30 m/s?？傮w來看，考慮水壩影響后，該工況的平均橫橋向風速明顯減小。

2.4 水壩對主梁風攻角的影響

為考察水壩對主梁周圍風攻角的影響，將橋軸線所在立面取出進行對比分析，橋軸線剖面豎向風速分布如圖6、圖7所示。

圖6 橋軸線剖面豎向風速分布(工況1)

圖7 橋軸線剖面豎向風速分布(工況2)

對于工況1，從圖6可以看出，在未考慮水壩影響時，在橋面高度處近半?yún)^(qū)域內，豎向風速超過5 m/s，其余區(qū)域均在-5～5 m/s。在考慮水壩影響后，橋面高度處豎向風速超過5 m/s的區(qū)域向西岸側移動，風速在0～5 m/s的區(qū)域增大，豎向風速整體而言有所下降。由風攻角計算公式可知，豎向風速下降，則風攻角將減小。

對于工況2，從圖7可以看出，在未考慮水壩影響時，在橋面高度處近半?yún)^(qū)域內，豎向風速超過5 m/s，部分區(qū)域風速達到10 m/s。在考慮水壩影響后，橋面高度處豎向風速超過5 m/s的區(qū)域減小，且未出現(xiàn)風速大于10 m/s的區(qū)域。由此可知，是否考慮水壩對橋梁周圍風攻角有明顯影響。

4 結 論

通過對比有無大壩兩種地形模型下橋址區(qū)風環(huán)境，可以得出以下結論：

(1)水壩對不同工況的橋位附近風環(huán)境的影響各不相同，對于工況1，水壩是否存在對橋址區(qū)近地面的風環(huán)境影響不大。而對于工況2，考慮水壩的影響后，橋址區(qū)近地面的橫橋向風速明顯減小。橋位周圍近地面的流線方向也發(fā)生了變化，絕大部分都朝向北偏東方向，與橋軸線形成了一定的夾角。

(2)水壩能夠不同程度降低各工況的主梁橫橋向風速，工況2尤其明顯。

(3)水壩能夠不同程度地減小風攻角，考慮水壩后主梁豎向風速明顯降低，橋軸線剖面的橋位附近流場也發(fā)生改變。