魏煒

涉河工程的建設(shè)，占用了河道的過水面積，導(dǎo)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(fù)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(yīng)，分析了工程建設(shè)前后壅水和流速的變化，為評估涉河橋墩阻水效應(yīng)提供參考。

數(shù)值仿真;阻水效應(yīng);橋梁;橋墩

U442.3+9A170604

0 引言

隨著我國“交通強(qiáng)國”戰(zhàn)略的實施，新一輪基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)熱潮正在掀起，涉河工程的建設(shè)也越來越多[1]。涉河工程的建設(shè)，勢必會占用河道的過水面積，產(chǎn)生阻水效應(yīng)，導(dǎo)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(jìn)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(xué)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(jié)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(yīng)影響，對橋墩阻水效應(yīng)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(xì)分成非重疊的三角形非結(jié)構(gòu)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(xì)計算原理參考文獻(xiàn)[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(jìn)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(biāo)為東經(jīng)107°10′44″，北緯22°51′04″。

2.1 橋梁工程設(shè)計方案

桃城農(nóng)場中橋采用三跨預(yù)制小箱梁結(jié)構(gòu)，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(chǔ)。橋梁設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)按100年一遇洪水設(shè)計，相應(yīng)水位為H1%=251.61 m（建前），相應(yīng)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(shè)有國家基本水文站——大新水文站。大新水文站于1958年設(shè)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(shè)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(jié)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(jìn)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?dāng)嗝媪髁?，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(guān)系曲線成果，如表2和圖1所示。

3 阻水效應(yīng)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(jìn)行仿真模擬計算。河段水流仿真計算條件上邊界采用設(shè)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(yīng)河段數(shù)字化地形圖（見下頁圖2）。為對比分析橋梁建設(shè)前后水位和流態(tài)的具體變化情況，在仿真計算水域布設(shè)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(shè)情況如下頁圖3所示。

3.2 仿真結(jié)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(jìn)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)對左岸線的阻水效應(yīng)更明顯。

對圖4進(jìn)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(yīng)大，洪水越大時，桃城農(nóng)場中橋的阻水效應(yīng)越小。桃城農(nóng)場中橋下游100 m后阻水效應(yīng)很小，幾乎不受橋梁工程建設(shè)的影響，但在上游900 m仿真范圍內(nèi)都受橋梁工程建設(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(jié)果可知，有三個方案的橋梁建設(shè)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(fù)雜，但是整體是顯示減小的趨勢。

結(jié)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(yīng)相一致。洪水越大時，桃城農(nóng)場中橋的建設(shè)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(shè)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(shè)后流速整體都放緩。

4 結(jié)語

（1）對于山谷河流，洪水越大，橋梁建設(shè)對河道行洪壅水效應(yīng)越小，對流速變化的影響越小。

（2）橋梁工程建設(shè)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(dǎo)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(shè)后，在防洪標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)整體較小。

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