薛萬(wàn)云， 趙 勇， 俞 雷， 吳修鋒， 郭 寧， 吳時(shí)強(qiáng)

(1.南京水利科學(xué)研究院水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 江蘇 南京 210029；2.江蘇省水利廳, 江蘇 南京 210029)

跨河橋梁為經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展起到了積極的作用，但同時(shí)對(duì)河道其它功能的發(fā)揮也產(chǎn)生一些約束作用。最為典型的問(wèn)題之一是多座橋梁集中布置在一段行洪河道上，雖然單座橋梁的橋墩所占過(guò)水面積不大，但河道上橋梁間距很近時(shí)，橋墩在河道中將以橋墩群的形式存在并產(chǎn)生阻水疊加效應(yīng)，對(duì)水流的流動(dòng)方向、流場(chǎng)結(jié)構(gòu)等造成新的影響[1-3]，導(dǎo)致河道水位壅高，影響河道行洪能力，同時(shí)引起局部區(qū)域流速增大，沖刷橋墩基礎(chǔ)，危害橋梁安全。為此，減弱或消除橋群引起的阻水疊加效應(yīng)對(duì)行洪河道的泄洪安全至關(guān)重要，需對(duì)行洪河道橋梁群阻水疊加效應(yīng)進(jìn)行深入研究。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用物理模型試驗(yàn)、數(shù)值計(jì)算及理論分析等方法對(duì)單座橋梁及橋群附近的壅水進(jìn)行了大量研究。Hong等[4-5]采用模型試驗(yàn)方法對(duì)橋墩附近的水流結(jié)構(gòu)及沖刷機(jī)理進(jìn)行了分析；Chrisohoides等[6-8]通過(guò)模型試驗(yàn)和理論分析方法對(duì)橋墩周?chē)鷱?fù)雜的三維流場(chǎng)結(jié)構(gòu)及沖刷進(jìn)行了分析研究，并基于試驗(yàn)結(jié)果提出了相應(yīng)的防護(hù)措施；謝鳴曉等[9]基于數(shù)學(xué)模型分析研究了緩流河道中單排橋墩影響下的水位和流場(chǎng)變化，并分析了不同墩形對(duì)水流的影響差異，發(fā)現(xiàn)樁墩引起的水流變化沿縱、橫向呈現(xiàn)出不同的分布規(guī)律，沿橫向呈波狀分布，且方墩對(duì)水流變化的影響比圓墩大；Gamal等[10]采用三維數(shù)學(xué)模型方法研究了2個(gè)橋墩(群)對(duì)水流結(jié)構(gòu)、墩周?chē)鷽_刷的影響，發(fā)現(xiàn)橋墩周?chē)畲鬀_深與弗雷德數(shù)、墩間距和墩徑有關(guān)，并擬合經(jīng)驗(yàn)公式表述上述參數(shù)關(guān)系。

綜上所述，關(guān)于單個(gè)涉水橋梁對(duì)河道水流、行洪等方面的影響，多采用物理模型試驗(yàn)、數(shù)值模擬及理論分析等方法進(jìn)行研究，并取得了豐碩成果。但對(duì)于橋群的阻水影響，受限于試驗(yàn)條件及精度的影響，往往只能采用數(shù)值模擬及理論分析方法，這對(duì)于認(rèn)識(shí)橋群阻水物理現(xiàn)象的本質(zhì)有一定的限制。因此，本文基于便于觀測(cè)的玻璃水槽及高精度測(cè)量工具建立河道水槽橋群物理模型，對(duì)橋群阻水影響進(jìn)行深入分析，以期深入探究橋群阻水引起的河道水位變化規(guī)律，為涉水橋梁建設(shè)提供參考。

1 參考對(duì)象

考慮水槽尺寸及模型比尺引起的縮尺效應(yīng)影響，選擇南京秦淮新河及涉河橋梁(高速鐵路橋)為水槽模型參考原型。秦淮新河全長(zhǎng)16.88 km，河底高程為-1.9～0.1 m，其沿線(xiàn)布置橋梁10多座，其中高速鐵路橋并排布置4座，橋梁最小間距不足50 m(4座高速鐵路橋并列布置)。秦淮新河河道相對(duì)較窄，最窄處河寬為70 m，涉河橋墩多為2排，位于河道近岸側(cè)，橋墩形狀主要為矩形橢圓橋墩，其次是圓形橋墩。橋墩尺寸為2.5～10 m，單座橋梁阻水率約為4%～6%，另外秦淮新河設(shè)計(jì)排洪量為800 m3/s。

2 橋梁群概化物理模型

2.1 模型試驗(yàn)參考比尺

為了定量研究橋梁群阻水引起的壅水規(guī)律，同時(shí)避免試驗(yàn)結(jié)果偏離天然河道橋梁阻水特性，需要合理設(shè)定模型試驗(yàn)參數(shù)。根據(jù)已有研究結(jié)果，平原河道橋梁引起的壅水高度一般為5～20 cm。為了在模型中精確測(cè)量壅水高度，需綜合考慮模型尺寸、測(cè)量設(shè)備精度及原型河道秦淮新河的尺寸、流量等特征。

參考秦淮新河橋梁阻水率、河道特征、橋墩尺寸及壅水高度等，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研結(jié)果及試驗(yàn)水槽尺寸，按照1∶100的參考比尺選擇橋墩尺寸及布置方式，即試驗(yàn)水槽水深0.1 m對(duì)應(yīng)原型河道水深10 m，水槽流量10 m3/s對(duì)應(yīng)原型河道1 000 m3/s，水槽流速0.25 m/s對(duì)應(yīng)原型河道流速2.5 m/s，同時(shí)橋墩阻水率控制在7%以?xún)?nèi)。因此概化后的原型河道特征流量為1 000 m3/s，流速為2.5 m/s，阻水率控制在7%以?xún)?nèi)。

2.2 試驗(yàn)水槽及測(cè)量

玻璃水槽測(cè)量區(qū)長(zhǎng)8 m，寬0.4 m，坡降0.4‰。從測(cè)量區(qū)0點(diǎn)開(kāi)始沿水流方向布置橋梁(橋梁起始位置為坐標(biāo)0點(diǎn))，每隔0.5 m布置1組橋梁，每組橋梁包含3排或4排橋墩，每排為2個(gè)圓形橋墩，墩徑D=6 mm。

在橋群前測(cè)量區(qū)布置7個(gè)水位監(jiān)測(cè)點(diǎn)(H1—H7)，監(jiān)測(cè)橋梁建設(shè)前后的水位變化，分析橋梁群對(duì)河道水位產(chǎn)生的阻水影響，水位采用精度為0.01 cm水位測(cè)針測(cè)量。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)工況

通過(guò)控制阻水率和流速組合成不同的典型工況(表1)，其中通過(guò)增設(shè)橋墩改變阻水率。設(shè)置2組流量，分別為10 m3/s和11.5 m3/s。水位通過(guò)尾門(mén)調(diào)節(jié)，坐標(biāo)原點(diǎn)處水深控制在10 cm。橋墩采用直徑D=6 mm的圓柱塑料棒模擬。分別對(duì)3種工況條件下的無(wú)橋、單橋、兩橋、三橋、四橋、五橋及六橋組成的橋群水位變化影響進(jìn)行試驗(yàn)分析。

表1 水槽試驗(yàn)工況

工況1、工況2阻水率為4.5%，每組橋墩包含3列橋墩，水流方向橋墩間距20 mm，垂向間距100 mm；工況3阻水率為6.0%，每組橋墩包含4列橋墩。

3.2 壅水特征分析

以水流流向、橫向、垂向?yàn)閤、y、z軸，坐標(biāo)原點(diǎn)分別位于第一座橋梁底部。沿流向依次布置橋梁，形成橋群，分析橋梁布置過(guò)程中的壅水水位特性變化。

分別對(duì)各工況條件下的無(wú)橋、單橋、兩橋、三橋、四橋、五橋及六橋群時(shí)的河道中心線(xiàn)水位變化進(jìn)行測(cè)量分析，表2、表3、表4給出了不同工況河道中心線(xiàn)水位壅高值Δh，圖1、圖2、圖3分別為河道中心線(xiàn)橋梁群前水位變化曲線(xiàn)。綜合分析上述圖表，可以看出，上游水流受橋墩阻水影響，水位壅高較為明顯，壅水高度隨橋墩數(shù)量的增加而增大，壅高范圍隨著橋梁數(shù)量的增多而延長(zhǎng)。

圖3 工況3洪水條件河道中心線(xiàn)橋前水位變化

表4 工況3 洪水條件橋梁群前中心線(xiàn)水位壅高值 單位：m

圖2 工況2洪水條件河道中心線(xiàn)橋前水位變化

表2 工況1洪水條件橋梁群前中心線(xiàn)水位壅高值 單位：m

表3 工況2洪水條件橋梁群前中心線(xiàn)水位壅高值 單位：m

圖1 工況1洪水條件河道中心線(xiàn)橋前水位變化

對(duì)于概化河道(其特征參數(shù)為流量1 000 m3/s、流速2.5 m/s、阻水率6%)，中心線(xiàn)最大壅水高度36 cm，壅水范圍150 m。6座橋梁組成的橋梁群引起的壅高值為單座橋梁壅高值的1.5倍(橋梁群上游150 m位置處)。

4 結(jié) 論

采用實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)對(duì)明渠河道中橋梁群條件下的水流運(yùn)動(dòng)分別進(jìn)行了研究。分析橋梁群前水位變化，得到以下主要結(jié)論：上游水流受橋墩阻水影響，水位壅高較為明顯，壅水高度隨橋墩數(shù)量的增加而增大，壅高范圍隨著橋墩數(shù)量的增多而延長(zhǎng)；對(duì)于概化河道(流量1 000 m3/s、流速2.5 m/s、阻水率6%)，河道中心線(xiàn)最大壅水高度為36 cm，壅水范圍150 m；6座橋梁組成的橋梁群引起的壅高值為單座橋梁壅高值的1.5倍(橋梁群上游150 m位置處)。