欒 巍

(安徽省城建設(shè)計研究總院股份有限公司，合肥 230051)

0 引 言

跨河橋梁的建設(shè)勢必引起與現(xiàn)有河道功能發(fā)生影響，在河道中設(shè)置橋墩更會縮窄河道斷面。橋梁修建對河道的影響主要是橋墩處流速大小的變化、橋墩處水流流場的變化以及橋墩造成的上游雍水和對橋墩周邊的沖刷，使河道安全運(yùn)行存在風(fēng)險。因此，橋梁建成后對河道水流影響分析是河道管理的重要內(nèi)容之一。本文以安徽省安慶市稼先路橋跨高河大河為例，運(yùn)用MIKE軟件對建橋前后水流流場進(jìn)行模擬，為后續(xù)消除和減輕影響措施提供一定的技術(shù)支持。

1 MIKE模型計算理論

運(yùn)用MIKE軟件對河道水流進(jìn)行模擬，MIKE21是MIKE軟件中的二維模型模塊，該模型運(yùn)用三向不可壓縮方程以及Reynold值均分布的Navier-Stokes方程，同時運(yùn)用靜水壓力的假定和Boussinesq假定[1]。二維非恒定淺水方程組為：

式中：t為時間；η為水位；h=η+d為總水深；u、v分別為X和Y方向上的速度分量，x、y為笛卡爾坐標(biāo)系坐標(biāo)；f為科氏力系數(shù)；g為重力加速度；ω為地球自轉(zhuǎn)角速度；φ為當(dāng)?shù)鼐暥龋籗xx、Sxy、Syy分別為輻射應(yīng)力分量；S為源項(xiàng)；ρ為水的密度。

橫向應(yīng)力Tij包括黏滯阻力，紊動摩擦阻力和差動平流摩擦阻力，用垂向流速平均的渦黏方程來計算：

MIKE21非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格模型采用非結(jié)構(gòu)有限體積法離散控制方程。有限體積法中使用的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格通常由三角形或四邊形網(wǎng)格組成，為了準(zhǔn)確擬合河道曲折的岸邊界，一般采用三角形網(wǎng)格進(jìn)行計算[2]。

2 計算實(shí)例

2.1 工程概況

稼先路高河大河橋位于高河大河城區(qū)段，距高河大河入三鴉寺湖口約7 km，河道在橋位段基本順直。擬建稼先路橋總寬50 m，主橋采用40+80 m獨(dú)塔無背索斜拉橋，塔-梁-墩全固結(jié)體系。塔高62.8 m，寬2.8 m，拉索間距8 m，采用平行布索，主梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，梁高2.5 m。引橋上部結(jié)構(gòu)為30 m跨先簡支后連續(xù)小箱梁，梁高1.6 m；引橋40 m跨簡支小箱梁梁高2 m。橋臺采用樁柱式橋臺，鉆孔灌注樁基；30 m跨引橋橋墩采用Φ1.4 m橋墩，下接Φ1.5 m鉆孔灌注樁基；40 m跨引橋橋墩采用Φ1.6 m橋墩，下接Φ1.8 m鉆孔灌注樁基。

高河大河系三鴉寺湖流域的一條主要支流，主河道全長13.33 km，流域面積為204.3 km2?，F(xiàn)狀防洪標(biāo)準(zhǔn)達(dá)50年一遇。橋址處左岸堤頂高程約18.624 m，右岸堤頂高程約18.48 m，為草皮護(hù)坡；左岸有寬8 m堤頂?shù)缆罚野队袑? m堤頂?shù)缆?。工程斷面呈U形斷面，上口寬約291 m，河底高程約9.94 m，底寬約55 m。河道設(shè)計泄洪能力1 423 m3/s。

2.2 計算方案

橋梁所跨河道防洪標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇，本次計算以該段河道50一遇洪水水文條件為計算邊界，研究分析洪水條件下橋梁建設(shè)方案對河道水位、流速、流向、沖刷的影響[3]。

2.3 模型建立

2.3.1 計算范圍及邊界條件

1) 計算范圍。采用實(shí)測河道平面地形及河道斷面資料，計算范圍為老206國道橋下至石如大道橋2.73 km長的河道范圍。

2) 糙率。河口-新206國道段：堤內(nèi)腳無明顯灘涂地，糙率取值0.03；新206國道至鐵路橋段：左堤已退30 m左右，堤內(nèi)腳也無明顯灘涂地，糙率取值0.027 5。

3) 網(wǎng)格。由于老206國道橋下至石如大道橋段河道整體面積不大，計算區(qū)域內(nèi)地形沒有急劇變化的特點(diǎn)，同時考慮河道地形圖測量精度，兼顧模型運(yùn)算速度及穩(wěn)定性，一般采用邊長約30 m的三角形作為計算網(wǎng)格，橋墩上下游200 m采用5 m的網(wǎng)格橋墩進(jìn)行加密，加密最小計算網(wǎng)格邊長按1 m控制，共剖分8 587個網(wǎng)格。見圖1、圖2。

4) 時間步長。利用有限體積法計算三角網(wǎng)格的水流模擬時，采用30 s作為最大時間步長，0.01 s作為最小時間步長。

5) 邊界條件。老206國道至入河口段50年一遇設(shè)計流量為1 497 m3/s，下游石如大道橋50年一遇設(shè)計洪水位為17.31 m。50年一遇設(shè)計洪水，上游以老206國道50年一遇設(shè)計流量作為上邊界，下游以石如大道橋50年一遇設(shè)計洪水位作為下邊界。

2.3.2 參數(shù)復(fù)核與模型驗(yàn)證

河口-新206國道段：堤內(nèi)腳無明顯灘涂地，糙率取值采用0.03。利用高河大河的高河水文站2020年7月5日和7月20日實(shí)測流量、水位資料進(jìn)行參數(shù)復(fù)核和模型驗(yàn)證，通過試錯法，模型模擬水位值與實(shí)測水位值誤差在1 cm左右，總體精度較好，基本滿足模擬分析要求。見表1。

圖1 老206國道橋下至石如大道橋段河道網(wǎng)格剖分示意圖

圖2 老206國道橋下至石如大道橋段河道網(wǎng)格地形示意圖

表1 2020年洪水高河大河二維模型精度評價表

3 結(jié)果分析

3.1 流速分析

工程修建前后，高河大河設(shè)計洪水條件下,稼先路橋橋墩區(qū)域的流速大小計算成果見表2。左岸橋墩的上下游流速降低較多，降低0.82～1.18 m/s；左岸橋墩至左岸堤防之間流速大小變化不大。橋墩至河道主槽之間流速增大了0.37～0.63 m/s，即由1.8 m/s左右增大至2.17～2.38 m/s。右岸橋墩上游流速變化較小，橋墩下游流速降低0.55 m/s左右；右岸橋墩至右岸堤防之間流速變化甚微。

工程修建前后，高河大河設(shè)計洪水條件下，稼先路橋橋墩斷面處的流速分布計算成果見圖3。

表2 50年一遇洪水條件下高河大河在建橋前后各特征點(diǎn)流速峰值比較表

圖3 工程修建前后橋址處流場圖

3.2 流場分析

工程修建前后，高河大河設(shè)計洪水條件下，老206國道橋下至石如大道橋河段及稼先路橋橋墩區(qū)域的流場計算成果見圖4。

現(xiàn)狀無橋梁時，河道主流流速在1.5～1.8 m/s之間，順直型河道流場也較為流暢，河道無紊流和繞流情況。橋梁右岸段灘地窄，堤防至河道主槽之間地形變化較為劇烈，因此近岸段流速達(dá)3 m/s。

稼先路橋修建后，河道主流流速在1.8～2.4 m/s之間，總體上因河道為順直型河道，流場較為流暢。左岸橋墩至左岸堤防之間流場及流速無明顯變化；左岸橋墩周邊有一定繞流情況，同時橋墩前及橋墩后流速降低至0.4～0.9 m/s，區(qū)域總體流速降低0.9 m/s左右；左岸橋墩至主槽之間流場無明顯變化，但流速增大0.4～0.6 m/s。右岸橋墩至右岸堤防之間流場及流速無明顯變化；右岸橋墩周邊繞流范圍很小，橋墩前流速無明顯變化，橋墩后速降低至1.3 m/s，降低0.5 m/s左右；右岸橋墩至主槽之間流場無明顯變化，但流速也增大0.4～0.6 m/s。

總體上，稼先路橋的修建對橋墩至岸坡堤防之間水流流場及流速的影響很小，左岸橋墩上下游存在繞流情況，但影響范圍較小，橋梁區(qū)域的主槽之間流速由1.5～1.8 m/s增大至1.8～2.4 m/s，河道主槽流速增大0.4～0.6 m/s。河段右岸由于岸坡較陡及迎流頂沖等原因，設(shè)計洪水條件下近岸段流速達(dá)3 m/s。

3.3 壅水分析

工程修建前后，高河大河設(shè)計洪水條件下，稼先路橋上游各特征點(diǎn)相應(yīng)位置的50年一遇洪水位計算成果見表3。工程修建后，稼先路橋前雍水達(dá)到6 cm，橋梁雍水至400 m，對橋梁400 m以上河段影響甚微。

圖4 工程修建前后老206國道橋下至石如大道橋河段流場圖

表3 工程修建前后各特征點(diǎn)水位比較表

3.4 沖刷分析

工程建成后，河道部位存在一般沖刷及局部沖刷，橋墩處局部沖刷會形成沖坑。由于左側(cè)橋墩位于河灘地，洪水期沖刷嚴(yán)重，河灘部分一般沖刷0.32 m、局部沖刷達(dá)4.54 m；河槽部分一般沖刷0.04 m、局部沖刷達(dá)0.97 m。見表4。

表4 工程修建前后橋址處沖刷計算表

4 結(jié)論與建議

1) 設(shè)計50年一遇洪水工況下，稼先路橋的修建對橋墩至岸坡堤防之間水流流場及流速的影響很小，橋梁區(qū)域的主槽之間流速由1.5～1.8 m/s增大至1.8～2.4 m/s，河道主槽流速增大0.4～0.6 m/s。稼先路橋前雍水達(dá)到0.62 cm，橋梁雍水至橋上游400 m。在河道上修建橋梁后，橋下水流受橋墩的阻壅作用，河道中單寬流量增加，局部水面比降和流速加大，導(dǎo)致河床產(chǎn)生一般沖刷，同時在橋墩附近形成復(fù)雜的流態(tài)，導(dǎo)致橋墩周圍出現(xiàn)局部沖刷[4]。由于左側(cè)橋墩位于河灘地，洪水期沖刷嚴(yán)重，局部沖刷達(dá)4.54 m。

2) 由于橋梁所在河段右岸岸坡較陡、迎流頂沖及橋梁建設(shè)等影響，50年一遇設(shè)計洪水條件下近岸段流速達(dá)3 m/s。建議橋梁修建后，對左岸橋位處及上游50 m、下游100 m迎水側(cè)岸坡實(shí)施護(hù)砌防護(hù)措施，對右岸橋位處及上游100 m、下游150 m范圍迎水側(cè)岸坡實(shí)施護(hù)砌防護(hù)措施。