杜 麥 陳小威

（1.石家莊豐水工程咨詢有限公司，石家莊 050000；2.寧夏水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司河北分公司，石家莊 050000）

0 引 言

近年來，隨著城市的發(fā)展，橋梁工程日益增多，新建城市橋梁附近河道的流勢(shì)流態(tài)將產(chǎn)生局部變化，對(duì)河道行洪、河勢(shì)和周圍橋梁造成一定的影響，同時(shí)河道行洪也對(duì)橋梁本身的安全造成影響，因此，對(duì)城市橋梁建設(shè)的防洪影響分析十分必要。

目前采用丹麥水利研究院（DHI）開發(fā)的MIKE21 FM模型對(duì)橋梁工程進(jìn)行水位和流場(chǎng)模擬已得到廣泛應(yīng)用[1-3]，且計(jì)算穩(wěn)定性強(qiáng)和精確度高。本文以河北滄州黃驊市南排河橋?yàn)槔?，通過建立二維數(shù)值模型，對(duì)建橋前后的水位和流場(chǎng)等進(jìn)行模擬，為城市橋梁建設(shè)的防洪影響分析提供依據(jù)。

1 基本原理

MIKE21 平面二維數(shù)學(xué)模型是以垂線平均的水流因素作為研究對(duì)象，對(duì)河段的平面水位、流場(chǎng)及河床細(xì)部的變化情況進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。二維淺水控制方程組如下：

式中：η為水位，m；h為靜止水深，m；u、v、w分別為流速在x、y、z方向上的分量，m∕s；Pa為當(dāng)?shù)卮髿鈮?，N∕m2；ρ為水密度，kg∕m3；ρ0為參考水密度，kg∕m3；g為重力加速度，m∕s2；f為Coriolis 參量，f=2Ω sin Ψ；Ω為地球自轉(zhuǎn)角速度，s-1；Ψ為地理維度，（°）；Sxx、Sxy、Syx、Syy為輻射應(yīng)力分量，m2∕s2；Txx、Txy、Tyy為水平黏滯應(yīng)力項(xiàng)，m2∕s；S為源匯項(xiàng)，m3∕s；uS、vS為源匯項(xiàng)水流速度，m∕s。

2 研究概況

以城市橋梁南排河橋?yàn)槔ㄟ^建立二維水動(dòng)力模型模擬橋梁建設(shè)前后水位及流場(chǎng)變化情況，為橋梁防洪影響分析提供依據(jù)。

南排河橋位于黃驊城區(qū)，于春熙體育公園附近跨越南排河，跨越位置處河道斷面形式為復(fù)式斷面，現(xiàn)狀河道寬約220 m，主槽寬約128 m，深約7 m，河底為平坡。

南排河橋設(shè)計(jì)橋梁與河道交角85°，橋長(zhǎng)220 m，跨度組成11×20 m，墩柱直徑1.3 m，樁直徑為1.4 m。

3 模型構(gòu)建

3.1 計(jì)算范圍

本次計(jì)算區(qū)域的上邊界選在南排河橋斷面上游3 100 m處，下邊界為扣村閘處，地形采用2021 年12 月實(shí)測(cè)地形，本次將橋墩概化為一個(gè)獨(dú)立的剖分單元（Polygon），在橋墩周邊區(qū)域的網(wǎng)格適當(dāng)加密，計(jì)算域內(nèi)共布設(shè)了28 763個(gè)三角形單元和15 563節(jié)點(diǎn)，1 226個(gè)水深點(diǎn)。

3.2 相關(guān)參數(shù)

模型相關(guān)系數(shù)參照相關(guān)經(jīng)驗(yàn)選取，經(jīng)過參數(shù)調(diào)試，確定相關(guān)參數(shù)如下：

（1）防洪標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)《黑龍港運(yùn)東地區(qū)防洪除澇規(guī)劃》，南排河排澇標(biāo)準(zhǔn)近期為10年一遇，遠(yuǎn)期為20年一遇。考慮南排河遠(yuǎn)期河道治理方案的不確定性，本次河道標(biāo)準(zhǔn)按近期為10 年一遇評(píng)價(jià)。橋梁標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)《城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（CJJ 11—2011）按相交河道洪水頻率取近期10 年一遇，結(jié)構(gòu)安全按100年一遇設(shè)計(jì)。

（2）河床阻力。參考《水力計(jì)算手冊(cè)》，本次計(jì)算取河床阻力（Bed Resistance）為33 m1∕3∕s，并采用一維模型計(jì)算成果率定。將橋墩概化為一個(gè)獨(dú)立的剖分單元后，建橋前橋墩區(qū)域按過水處理，河床阻力（Bed Resistance）為33 m1∕3∕s，建橋后橋墩部分不參與計(jì)算[4]。

（3）動(dòng)邊界處理。采用干濕判別確定計(jì)算區(qū)域由于水位變化產(chǎn)生的動(dòng)邊界，干水深取0.01 m，洪水深取0.01 m，濕水深取0.1 m。

（4）邊界條件輸入。上游邊界為10 年一遇洪峰流量540 m3∕s，下游邊界取閘孔出流公式計(jì)算得出的扣村閘閘前水位5.39 m。

3.3 模擬成果

根據(jù)以上分析確定的河道有關(guān)計(jì)算條件，模擬建橋后橋墩處水位等值線圖和流場(chǎng)圖如圖1 和圖2 所示，建橋前后水位模擬成果表（由于篇幅限制，本次僅呈現(xiàn)部分成果）如表1所示。

表1 建橋前后水位與流速成果表

圖1 建橋后橋址處水位等值線示意圖

圖2 建橋后橋址處流場(chǎng)示意圖

3.4 合理性分析

由于本次計(jì)算區(qū)域內(nèi)無南排河大洪水的實(shí)測(cè)資料，本次河槽糙率利用HEC-RAS 一維水力模型模擬建橋前成果進(jìn)行率定[5]，率定成果如下。

由圖3 可知，二維模型成果與一維模型水面線成果基本一致，MIKE21 模擬流速成果較HEC-RAS 成果較為偏大，但成果趨勢(shì)基本一致，兩種模型計(jì)算模擬結(jié)果相互吻合較好，因此選定的糙率合適，建立的二維模型計(jì)算成果合理，模擬精度較為精確，可作為新建城市橋梁防洪影響分析的依據(jù)。

圖3 MIKE21與HEC-RAS模擬成果對(duì)比

4 防洪影響分析

4.1 布置分析

新建橋梁采用全橋跨越方式跨越南排河，橋梁軸線與河道水流方向交角為85°，同組橋墩中心連線與水流方向平行，橋梁設(shè)計(jì)跨徑為20 m，同時(shí)與上游橋梁并孔布置，發(fā)生10 年一遇設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的洪水時(shí)，橋墩阻水比為6.38%，阻水比較小；橋長(zhǎng)不小于河道上口寬。綜上，橋梁布置基本合理。

4.2 壅水分析

橋前壅水直接關(guān)系到河道兩岸的防洪安全及橋梁梁底是否安全[6]，通過常用的兩種方法分析南排河橋前壅水情況。

（1）計(jì)算方法。通過建立的二維數(shù)學(xué)模型分析建橋前后的水位變化[7-9]，表明橋址處的壅水高度。采用D’Aubuisson公式計(jì)算，該公式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于計(jì)算[10]，如下：

式中：ΔZM為橋前最大壅水高度，m；η'為計(jì)算系數(shù)，根據(jù)阻斷流量和設(shè)計(jì)流量的比值取0.15；Vˉ為天然河道斷面平均流速，為0.75 m∕s；VˉM為橋下平均流速，為0.80 m∕s。

（2）計(jì)算成果。根據(jù)計(jì)算兩種方法成果較為相近，計(jì)算結(jié)果較為合理（表2）。南排河橋位于平原河道，水面比降較緩，為安全考慮，擬建橋梁最大壅水高度采用相對(duì)較大的數(shù)學(xué)模型成果即0.018 m[11]。

表2 壅水計(jì)算表

4.3 沖刷分析

橋址跨河位置土層為黏性土，液性指數(shù)為0.33，沖刷計(jì)算采用《公路工程水文勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTGC30—2015）中推薦的黏性土河槽一般沖刷和局部沖刷計(jì)算公式，由于河道沖刷深度影響橋梁結(jié)構(gòu)安全，沖刷分析采用100 年一遇計(jì)算沖刷深度，經(jīng)計(jì)算，橋址處100 年一遇洪水時(shí)南排河將漫堤行洪，設(shè)計(jì)流量取平堤流量，為1 192 m3∕s。沖刷深度計(jì)算見表3，計(jì)算得到一般沖刷深度為0 m，局部沖刷深度為0.21 m。

表3 沖刷深度計(jì)算表

4.4 行洪及河勢(shì)影響分析

根據(jù)洪水位成果，建橋后橋址處僅壅高0.018 m，故橋梁修建幾乎不會(huì)降低河道行洪標(biāo)準(zhǔn)，不會(huì)明顯加重兩岸及上游的洪水災(zāi)情，對(duì)河道行洪的影響不大。

根據(jù)模擬成果，橋墩位置局部發(fā)生繞流現(xiàn)象，橋墩斷面流速較建橋前有所增加，由0.75 m∕s 增加至0.80 m∕s，橋前及其余河段受建橋影響流速降低0.01～0.02 m∕s，已建橋梁附近河段受影響較大，但對(duì)河道總體河勢(shì)影響較小。

4.5 第三方影響分析

（1）對(duì)兩岸城區(qū)的影響分析。南排河橋兩岸為黃驊市，橋梁建成后，橋前壅水高度為0.018 m，壅水較小，故橋梁的修建不會(huì)明顯加重兩岸建筑和居民的洪水災(zāi)情。

（2）對(duì)上下游橋梁的影響。根據(jù)二維模型計(jì)算結(jié)果，受擬建橋梁影響，上游的北王曼橋水位增加0.016 m，平均流速0.72 m∕s 降低至0.71 m∕s；新G205 國(guó)道橋，壅水高度為0.016 m，流速由0.72 m∕s 降低至0.70 m∕s；王莊子橋，壅水高度為0.017 m，流速0.79 m∕s降低至0.78 m∕s。

橋梁建設(shè)后，上游橋梁洪水位有所增加，周邊流速有所減小，但壅高較低，且壅高后水位均不出槽，流速降低不明顯，對(duì)其影響較?。幌掠螛蛄簾o水位壅高，雖流速有所降低，但對(duì)其影響較小。

4.6 橋梁自身安全影響分析

（1）橋梁梁底高程分析。根據(jù)計(jì)算，橋址處10年一遇風(fēng)浪高度為0.15 m，橋下凈空取0.50 m，故計(jì)算允許梁底高程為6.95 m，南排河橋設(shè)計(jì)最低梁底高程為7.53 m，梁底基本不會(huì)受到洪水威脅。

（2）豎向布置分析。樁基埋深將影響橋梁結(jié)構(gòu)安全，按100年一遇洪水來臨時(shí)產(chǎn)生沖刷控制。經(jīng)計(jì)算，橋梁位置最大沖刷深度0.21 m，橋梁樁基埋深40 m，完全滿足沖刷要求。

5 結(jié) 論

（1）通過MIKE21 建立二維水力模型，以南排河橋?yàn)槔?，?duì)建橋前后水位及流速進(jìn)行仿真，并通過HEC-RAS 一維模型進(jìn)行率定，由率定成果可知，兩種模型計(jì)算模擬結(jié)果相互吻合較好，因此選定的糙率合適，建立的二維模型計(jì)算成果合理，模擬精度較為精確，可為城市橋梁防洪影響分析提供依據(jù)。

（2）根據(jù)二維模型模擬成果和壅水分析成果，建橋后橋梁位置壅水高度為0.018 m，上游水位壅高0.016～0.017 m，建橋后橋墩局部發(fā)生了繞流現(xiàn)象，橋墩處平均流速增加0.05 m∕s，其余河段受建橋影響平均流速降低0.01～0.02 m∕s，對(duì)河道行洪、河勢(shì)及第三方影響較小。

（3）橋梁布置基本合理，橋梁梁底基本不會(huì)受到10 年一遇洪水威脅，樁基埋深滿足抗沖刷要求，工程自身安全。