程 實(shí)，李 昱，張 旭，陳 浩

(江蘇省太湖水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 蘇州 215100)

太湖流域經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，水系分布廣泛，為溝通兩岸經(jīng)濟(jì)交流，自古以來(lái)修建眾多跨河橋梁。隨著區(qū)域經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和水文條件的變化，現(xiàn)有的河道規(guī)模不能滿足區(qū)域防洪排澇的要求，需對(duì)老河道進(jìn)行拓浚，原有跨河橋梁應(yīng)進(jìn)行拆建。

部分跨河橋梁歷史悠久，具有重要的意義及價(jià)值，不具備遷移安置的條件，根據(jù)文物保護(hù)單位的要求，需進(jìn)行原址保護(hù)?？紤]到單側(cè)橋墩的保護(hù)會(huì)大面積侵占河道過(guò)水?dāng)嗝?，河道線型較為彎曲，水流較為紊亂，影響河道引排能力，需對(duì)文物橋梁的橋墩基座布置進(jìn)行數(shù)值模擬分析。

文章以老桃花港河道整治工程的文物橋梁為例，采用數(shù)值模擬方法，計(jì)算了不同橋墩基座布置下各引排工況的水流結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行對(duì)比分析，選取最經(jīng)濟(jì)合理的文物保護(hù)措施。

1 工程概況

老桃花港位于武澄錫虞區(qū)低片，是區(qū)域重要的通江河道，自長(zhǎng)江沿常州新北區(qū)和江陰市邊界向南至李大河，本次工程為長(zhǎng)江至S122省道段，全長(zhǎng)6.87km。老桃花港主要承擔(dān)地區(qū)洪澇水北排長(zhǎng)江，干旱年份引長(zhǎng)江水補(bǔ)充區(qū)域水資源的任務(wù)，減輕區(qū)域防洪除澇壓力和提高水資源配置能力，同時(shí)增強(qiáng)河道引排能力，促進(jìn)區(qū)域水環(huán)境質(zhì)量的改善。工程主要建設(shè)內(nèi)容有河道拓浚、護(hù)岸工程、堤防工程、橋梁工程等，其中拆建橋梁4座，新建橋梁1座，原址保護(hù)橋梁1座(新橋)。

新橋文物橋始建于明崇禎年間，為單孔石拱橋，橋身用青石條石砌筑，凈跨為8.3m，橋面寬3.8m，1992年被列為江陰市文物保護(hù)單位，經(jīng)過(guò)多次與文保單位對(duì)接，考慮到該座橋梁的特殊性，需進(jìn)行原址保護(hù)。

根據(jù)河道前期規(guī)劃選址的批復(fù)，新橋區(qū)段平面布置如圖1所示。新橋右岸維持現(xiàn)狀河線，新建護(hù)岸與現(xiàn)狀橋墩銜接；左岸進(jìn)行拓浚，左岸橋墩處采用灌注樁擋墻與現(xiàn)狀擋墻形成基座。橋墩基座位于河道中央，需進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，優(yōu)化基座的型式與布置。綜合考慮到護(hù)岸建設(shè)的成本以及水流結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，本工程初步推薦采用半圓形或紡錘形基座。

圖1 新橋平面示意圖(單位：m)

2 數(shù)值模擬

2.1 數(shù)學(xué)模型基本控制方程

連續(xù)方程：

(1)

動(dòng)量方程：

(2)

2.2 數(shù)值求解方法

采用有限體積法對(duì)數(shù)學(xué)模型控制方程進(jìn)行離散，速度壓力耦合矯正采用SIMPLEC方法，動(dòng)量方程采用二階迎風(fēng)離散格式，所有參量的殘差控制標(biāo)準(zhǔn)取為1.0×10-5。

2.3 計(jì)算區(qū)域、邊界條件和網(wǎng)格劃分

所建立的模型進(jìn)口處為入流邊界，對(duì)不同的計(jì)算工況，根據(jù)流量和水位條件，給定入口過(guò)水?dāng)嗝娴牧魉倩蛄髁?；模型出口為水流出流邊界，根?jù)計(jì)算工況的不同給定不同的壓力邊界條件。

采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分計(jì)算區(qū)域，為了提高計(jì)算的精確性，對(duì)關(guān)鍵區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化。

2.4 計(jì)算工況

各工況斷面平均流速計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

由表1可知，引水工況下水位較淺，斷面平均流速更大，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，該工況流態(tài)更為紊亂，文章擬對(duì)引水工況下水流結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比分析。

表1 各工況斷面平均流速計(jì)算表

3 不同橋墩基座形狀對(duì)比分析

3.1 水流結(jié)構(gòu)

根據(jù)老桃花港水利規(guī)劃河口線、水下地形，以及最大引水流量對(duì)應(yīng)的水位建模分析，計(jì)算流速矢量圖如圖，2、圖3所示。

圖2 半圓形基座引水時(shí)流速矢量圖(單位：m/s)

圖3 紡錘形基座引水時(shí)流速矢量圖(單位：m/s)

由上圖可以看出，采用半圓形基座時(shí)，水流擴(kuò)散不均勻，主流偏向單側(cè)河岸，橋墩基座后方形成大范圍回流區(qū)，最大流速達(dá)到0.94m/s；采用紡錘形橋墩基座時(shí)，橋墩基座相當(dāng)于導(dǎo)流墩，主流經(jīng)過(guò)束窄斷面后擴(kuò)散較為均勻，最大流速約為0.83m/s，橋梁基座后方無(wú)明顯回流區(qū)，水流流態(tài)明顯改善。

3.2 工程造價(jià)

橋墩基座主要采用直立式灌注樁護(hù)岸，成本較高，根據(jù)工程造價(jià)計(jì)算，延米造價(jià)約為3萬(wàn)元。采用半圓形基座時(shí)，護(hù)岸長(zhǎng)度為21m；采用紡錘形基座時(shí)，護(hù)岸長(zhǎng)度為42m，工程造價(jià)顯著增加。

綜合考慮水流結(jié)構(gòu)及工程造價(jià)的因素，擬采用紡錘形橋墩基座，并對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化，減小工程造價(jià)。

4 紡錘形橋墩基座結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

4.1 基座結(jié)構(gòu)分析

橋墩基座結(jié)構(gòu)主要可以拆解為上下游兩部分，如圖4所示。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷可知，主要對(duì)水流結(jié)構(gòu)及工程造價(jià)產(chǎn)生影響的是基座上下游銜接坡比，坡比越緩，水流結(jié)構(gòu)越順暢，水流調(diào)整效果越好，但相應(yīng)造價(jià)越高。

圖4 橋墩基座結(jié)構(gòu)示意圖

文章采取不同的上下游銜接坡比1∶m1，1∶m2，分析對(duì)比采用不同的上下游銜接坡比時(shí)水流結(jié)構(gòu)的變化情況，從而選擇合適的橋墩基座結(jié)構(gòu)，既能節(jié)約工程投資，又能優(yōu)化水流結(jié)構(gòu)，保證河道的功能發(fā)揮。

計(jì)算坡比見(jiàn)表2。

表2 計(jì)算方案匯總表

4.2 計(jì)算結(jié)果分析

各工況計(jì)算結(jié)果如圖5～圖8所示。

圖5 方案1流速矢量圖(單位：m/s)

圖6 方案2流速矢量圖(單位：m/s)

圖7 方案3流速矢量圖(單位：m/s)

圖8 方案4流速矢量圖(單位：m/s)

由計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)上游銜接坡比放緩時(shí)，河道水流結(jié)構(gòu)有明顯改善，且主流偏向于主河拓浚側(cè)，最大流速也較小，如圖5與圖8所示。這是因?yàn)樯嫌毋暯悠卤确啪彛瑯蚨栈喈?dāng)于主河中的導(dǎo)流墩，受主河河線及導(dǎo)流墩的作用，主流偏轉(zhuǎn)較為順暢，能有效減小文物橋梁下方原河槽沖刷，保護(hù)文物橋梁的穩(wěn)定性。

當(dāng)下游接線坡比放緩時(shí)，河道最大流速減小，但是差別不大，且水流流態(tài)改善有限，這主要是下游接線受現(xiàn)狀擋墻線型限制，可調(diào)整余地較小，導(dǎo)流效果不佳。

綜合考慮節(jié)約工程造價(jià)以及優(yōu)化水流結(jié)構(gòu)，工程擬采用上游銜接坡比為1∶2，下游銜接坡比為1∶0.75。

5 結(jié)語(yǔ)

(1)文物橋原址保護(hù)會(huì)對(duì)河道引排能力產(chǎn)生較大影響，需對(duì)其進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算以優(yōu)化水流結(jié)構(gòu)。

(2)計(jì)算表明，文物橋梁基座采用紡錘形橋墩基座對(duì)水流結(jié)構(gòu)優(yōu)化更有利。

(3)基于節(jié)約工程造價(jià)以及最大程度優(yōu)化流態(tài)考慮，建議對(duì)橋梁基座的布置進(jìn)行對(duì)比分析。