魏煒
涉河工程的建設,占用了河道的過水面積,導致水位壅高及水流流動模式的改變,給河床、河岸的穩(wěn)定以及行洪帶了負面影響。文章以大新縣桃城農(nóng)場中橋為例,采用數(shù)值仿真的方法模擬橋墩的阻水效應,分析了工程建設前后壅水和流速的變化,為評估涉河橋墩阻水效應提供參考。
數(shù)值仿真;阻水效應;橋梁;橋墩
U442.3+9A170604
0 引言
隨著我國“交通強國”戰(zhàn)略的實施,新一輪基礎設施的建設熱潮正在掀起,涉河工程的建設也越來越多[1]。涉河工程的建設,勢必會占用河道的過水面積,產(chǎn)生阻水效應,導致河道范圍內(nèi)水流的流動模式改變、水位壅高等現(xiàn)象產(chǎn)生,進而影響河床、河岸的穩(wěn)定[2]。目前對于河道阻水及流態(tài)分析大都采用經(jīng)驗公式或者一維水力學模型來計算分析[3],但這些方法往往會由于河道類型不同而產(chǎn)生不同的結果。因此,本次研究探索采用仿真模擬的方法來計算涉河橋墩的阻水效應影響,對橋墩阻水效應的定性和定量分析具有十分重要的現(xiàn)實意義。
1 計算原理及方法
本次數(shù)值仿真計算的原理如下:(1)通過整合水平動量方程和連續(xù)方程得到淺水方程,據(jù)此在河道深度上集成不可壓縮的雷諾Naviertokes方程;(2)通過采用單中心的有限體積法離散原始方程的空間,并將空間域由連續(xù)離散細分成非重疊的三角形非結構化網(wǎng)格單元[4];(3)對流通量的計算采用Riemann金斯求解,可方便處理非連續(xù)的解決方案,時間積分采用顯式積分方法,詳細計算原理參考文獻[5]。
本次研究仿真采用的實驗工具為MIKE 21FM軟件,它是DHK(Danish Hydraulic Institute,丹麥水力研究所)所研發(fā),是專門用于模擬河流、湖泊、河口、海灣、海岸以及海洋的水流、波浪、泥沙及環(huán)境的工程軟件包[6],在本研究中用于對涉河橋墩進行阻水仿真模擬計算。
2 研究對象的基本情況
本次研究對象為崇左市大新縣縣城內(nèi)的桃城農(nóng)場中橋,橋址位于向水河上游河段,坐標為東經(jīng)107°10′44″,北緯22°51′04″。
2.1 橋梁工程設計方案
桃城農(nóng)場中橋采用三跨預制小箱梁結構,橋梁縱軸線與河道中線處于60°斜交。綜合地形因素,橋跨布置考慮為:3.5 m(橋臺)+20 m+40 m+20 m+3.5 m(橋臺)=87 m,單幅寬度為20 m,橋臺采用承臺加樁基礎。橋梁設計標準按100年一遇洪水設計,相應水位為H1%=251.61 m(建前),相應流量為Q1%=860.7 m3/s。
2.2 河流水文情勢
桃城農(nóng)場中橋斜跨向水河。向水河又名利江,屬黑水河一級支流,干流長89 km,集水面積為1 672 km2,平均坡降3.17‰,多年平均流量為29.1 m3/s。向水河寬度為30~60 m,河水深度約2~3 m,岸坡以粉質(zhì)黏土為主,河床以粗砂為主,河水水流常年偏緩慢,水流對河岸及河床沖刷影響較小。
2.2.1 河流洪水頻率
向水河上設有國家基本水文站——大新水文站。大新水文站于1958年設站,位于桃城農(nóng)場中橋橋址下游3.5 km處,集水面積為867 km2。根據(jù)大新水文站1959—2015年連續(xù)57年的實測洪水資料,加入1936年歷史洪水(重現(xiàn)期取79年),采用P-Ⅲ型曲線適線,分析計算得到大新水文站不同頻率的設計洪水,再根據(jù)水文比擬法[7]按面積比的2/3次方換算至桃城農(nóng)場中橋斷面洪水成果,如表1所示。
2.2.2 控制斷面洪水位
結合收集的實測資料以及計算范圍情況,本次研究選擇桃城農(nóng)場中橋橋址下游900 m處的河道斷面作為水位控制斷面。根據(jù)實測的大斷面資料,按恒定均勻流速進行計算,采用曼寧公式計算控制斷面在不同水位情況下過水斷面流量,高水部分以附近歷史洪痕點作為控制點,并參照曲線的趨勢延長,最終得到控制斷面的水位與流量關系曲線成果,如表2和圖1所示。
3 阻水效應數(shù)值仿真模擬
3.1 仿真計算方案及邊界條件
為了研究桃城農(nóng)場中橋橋墩對河道行洪產(chǎn)生的影響,本次研究擬定100年一遇洪水、20年一遇洪水、10年一遇洪水和5年一遇洪水四個頻率方案,對每個方案橋梁修建前后的洪水水位、流場進行仿真模擬計算。河段水流仿真計算條件上邊界采用設計洪水流量,下邊界采用出口控制斷面洪水位。各方案的上下游邊界條件如表3所示。
根據(jù)桃城農(nóng)場中橋工程所處河段的特點,選擇仿真計算河道區(qū)域為橋址上下游各900 m河段水域,共計1 800 m河道長度,并建立對應河段數(shù)字化地形圖(見下頁圖2)。為對比分析橋梁建設前后水位和流態(tài)的具體變化情況,在仿真計算水域布設一系列采樣點。本次研究從上至下沿河道布置了43個斷面,并在每個斷面的深泓線、兩岸線上分別布置了采樣點,采樣點布設情況如下頁圖3所示。
3.2 仿真結果分析
3.2.1 壅水仿真分析
利用Mike 21FM水動力模型對各方案進行仿真計算分析,并根據(jù)采樣點水位差值繪制不同頻率下縱向差值曲線圖,左岸線、中泓線、右岸線水位差值曲線圖如下頁圖4所示。
根據(jù)圖4分析可得,在100年一遇洪水情況下,橋梁建設后水位最大壅水量為0.093 m,在橋梁上游35 m左岸線處;在50年一遇洪水情況下,橋梁建設后水位最大壅水量為0.117 m,在橋址左岸線處;在20年一遇洪水情況下,橋梁建設后水位最大壅水量為0.116 m,在橋址左岸線處;在10年一遇洪水情況下,橋梁建設后水位最大壅水量為0.200 m,在橋址左岸線處。由此可見,橋梁工程的建設對大頻率洪水情況下壅水影響較大,說明向水河屬于山谷型河流。所有的洪水頻率下,橋梁壅水的最大值都出現(xiàn)在左岸線上,說明橋梁的建設對左岸線的阻水效應更明顯。
對圖4進行對比分析可知,10年一遇的洪水整體比其他頻率的洪水情況下阻水效應大,洪水越大時,桃城農(nóng)場中橋的阻水效應越小。桃城農(nóng)場中橋下游100 m后阻水效應很小,幾乎不受橋梁工程建設的影響,但在上游900 m仿真范圍內(nèi)都受橋梁工程建設的影響。
3.2.2 流速仿真分析
根據(jù)采樣點流速差值繪制不同頻率下縱向流速差值曲線圖,河道左岸線、中泓線、右岸線流速差值曲線圖如圖5所示。
根據(jù)圖5分析可得,在100年一遇洪水情況下,橋梁建設后流速變化最大在橋址下游30 m右岸線處,減緩為0.13 m/s;在50年一遇洪水情況下,橋梁建設后流速變化最大在橋址中泓線處,減緩為0.21 m/s;在20年一遇洪水情況下,橋梁建設后流速變化最大在橋址右岸線處,減緩為0.24 m/s;在10年一遇洪水情況下,橋梁建設后流速變化最大在橋址中泓線處,減緩為0.19 m/s。對比仿真采樣結果可知,有三個方案的橋梁建設后流速變化最大量都發(fā)生在橋址斷面,說明在橋址斷面水流流速變化復雜,但是整體是顯示減小的趨勢。
結合圖5分析可知,10年一遇的洪水整體比其他頻率的洪水情況下流速變化較大,減緩量也較大,這跟其壅水效應相一致。洪水越大時,桃城農(nóng)場中橋的建設對流速變化影響就越小。桃城農(nóng)場中橋下游200 m后流速變化很小,幾乎不受橋梁工程建設的影響,但在上游900 m仿真范圍內(nèi)由于壅水抬升,橋梁建設后流速整體都放緩。
4 結語
(1)對于山谷河流,洪水越大,橋梁建設對河道行洪壅水效應越小,對流速變化的影響越小。
(2)橋梁工程建設后,橋梁上游區(qū)域會形成一定的壅水,河流流速會減緩,橋梁下游附近區(qū)域會降水,但由于橋梁阻水消能后也會導致水流流速減緩。
(3)本次研究對象桃城農(nóng)場中橋工程建設后,在防洪標準100年一遇洪水范圍之內(nèi),最大壅水量為0.200 m,流速最大變化量為0.24 m/s,對河道的阻水效應整體較小。
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