原賀軍

(安徽省交通勘察設(shè)計院有限公司，安徽 合肥 230011)

0 引 言

根據(jù)2018年印發(fā)的《安徽省干線航道網(wǎng)規(guī)劃(2018——2030年)》,規(guī)劃淮河干流為安徽省干線航道“一縱兩橫五干二十線”中的兩橫之一,是省干線航道網(wǎng)的核心之一。規(guī)劃淮河干流安徽境內(nèi)三河尖至臨淮崗樞紐73 km為Ⅲ級航道,臨淮崗樞紐至紅山頭305 km為Ⅱ級航道?；春痈闪骱降腊不斩呜涍\(yùn)繁忙,2018年蚌埠船閘和蚌埠復(fù)線船閘上行、下行總通過船舶數(shù)量約6.67萬艘次,總船舶通過量約9 628萬t。

建設(shè)跨越淮河的橋梁工程時,由于水面寬闊,大型橋墩布置在水中,會對天然的水流流態(tài)產(chǎn)生干擾,對航道的水動力特性產(chǎn)生影響,使橋墩附近產(chǎn)生不安全的紊流區(qū)域。本文以G345馬城至唐集段一級公路工程淮河特大橋?yàn)槔?結(jié)合橋區(qū)最新地形和水文資料,采用二維水動力分析研究擬建橋梁對航道的流速、流態(tài)的影響以及橋墩紊流寬度的取值。

1 模型建立

1.1 控制方程

模型的建立是基于三向不可壓縮和Reynolds值均布的Navier-Stokes方程,并服從于Boussinesq假定和靜水壓力的假定。

二維非恒定淺水方程組(連續(xù)性方程、動量方程)為:

(1)

(2)

(3)

1.2 求解方法

模型采用的數(shù)值方法是單元中心的有限體積法。控制方程離散時,結(jié)果變量U、V位于單元中心,跨邊界通量垂直于單元邊。有限體積方法中法向通量的計算是,在沿外法線方向建立起單元水動力模型,并通過求解一維的Riemann問題而得到。

1.3 網(wǎng)格劃分

模型范圍取工程斷面上游3.0 km至下游3.0 km,采用非結(jié)構(gòu)三角網(wǎng)格,網(wǎng)格空間步長20 m,橋墩附近加密至0.5 m左右。

1.4 計算工況

擬建橋梁位于臨淮崗樞紐和蚌埠閘樞紐之間,下距蚌埠閘樞紐約30 km,受下游蚌埠閘樞紐調(diào)蓄功能影響,設(shè)計最低通航水位和常水位工況下水流流速較小,相應(yīng)的橫向流速也較小。因此,本次僅分析設(shè)計最高通航水位23.3 m(20年一遇洪水位)工況。

2 擬建橋梁對水流條件的影響

根據(jù)橋梁建設(shè)前上游500 m至下游500 m處橫斷面流速統(tǒng)計,工程河段流速范圍為0～1.51 m/s,最大流速出現(xiàn)在橋位上游400～500 m處,該處河床底高程較前段有明顯抬高,過水?dāng)嗝鏈p小導(dǎo)致水流流速較大。

工程實(shí)施以后,洪水期橋址附近斷面水流形態(tài)總體仍主要沿河道方向。受橋墩影響,橋墩附近流速流向發(fā)生少許變化,但影響范圍不大,如圖1所示。根據(jù)擬建橋梁上游500 m至下游500 m處橫斷面流速統(tǒng)計,工程河段流速范圍為0～1.52 m/s,最大流速位置與工程前基本一致。擬建橋梁對工程河段整體水流條件基本沒有影響。

圖1 工程實(shí)施后橋址附近流場圖

3 紊流對通航凈寬影響分析

由于橋墩的阻水作用,在橋墩附近產(chǎn)生繞流,流態(tài)紊亂,如圖2所示。將其分解到橋梁軸線方向即是影響船舶航行的橫向流速。橫向流速容易使船舶偏轉(zhuǎn)產(chǎn)生橫向位移,對船舶航行不利,所以需要研究橋墩附近紊流產(chǎn)生橫向流速的影響寬度,船舶航行時應(yīng)避開此區(qū)域。

圖2 工程實(shí)施后橋址附近橫向流速流場圖

研究橋墩附近的紊流區(qū)寬度,需要將流速沿著與河道垂直的方向進(jìn)行分解,以得到橫向流速分布,通過在橋墩附近所取一定數(shù)量的測點(diǎn)數(shù)據(jù),分析橋墩附近橫向流速小于0.2 m/s的范圍以確定紊流寬度大小。

擬建橋梁2號、3號橋墩之間為主通航孔,主通航孔跨徑為230 m,按單孔三線通航考慮;1號、2號橋墩之間為左副通航孔,3號、4號之間為右副通航孔,副通航孔跨徑為105 m,按單孔單向通航考慮。

在各橋墩附近按一定間距分別選取一定數(shù)量的測點(diǎn),進(jìn)行橫向流速數(shù)據(jù)的采集,得到各通航孔兩側(cè)橋墩的紊流寬度見表1。

表1 各通航孔兩側(cè)橋墩的紊流寬度

根據(jù)計算結(jié)果,設(shè)計最高通航水位23.3 m(20年一遇洪水)時,橋墩附近紊流主要集中在迎水側(cè),各通航孔兩側(cè)橫向流速大于0.2 m/s的區(qū)域占用通航凈寬為1～4.5 m。

4 結(jié)束語

在航道通航條件影響評價工作中,對于跨越重要航道的橋梁工程,應(yīng)采用二維水動力分析方法研究橋墩布置對橋區(qū)河段水流條件的影響,通過采集測點(diǎn)數(shù)據(jù)可以確定橋墩阻水產(chǎn)生的紊流區(qū)域所占用的通航凈空尺度。本文提出的分析方法可供淮河干流安徽段后續(xù)建設(shè)的橋梁工程參考。