梁錦釗

（東莞市萬江水務(wù)工程運(yùn)營(yíng)中心,廣東 東莞 523050）

橋梁建設(shè)往往會(huì)占用河道斷面,致使河道行洪面積減少、過流能力下降[1]。同時(shí),在橋墩前后局部形成雍高和旋渦滯留區(qū),引起水流流場(chǎng)變化,局部流速突變[2],這極易導(dǎo)致河床沖淤失衡。因此在橋梁規(guī)劃和設(shè)計(jì)階段,應(yīng)對(duì)橋梁建設(shè)對(duì)河道行洪能力、河床沖淤和河勢(shì)影響作出分析評(píng)價(jià)。物理模型在評(píng)價(jià)分析過程中具有周期長(zhǎng)、耗資大的缺陷,而經(jīng)驗(yàn)公式法由于在整個(gè)斷面的概化使得計(jì)算成果精度不夠。數(shù)值模擬方法因成本低、周期短、通用性強(qiáng)成為防洪影響評(píng)價(jià)的重要研究手段。

1 基本概況

1.1 河道概況

項(xiàng)目區(qū)屬于東江三角洲河網(wǎng)區(qū),東江是珠江水系三大河流之一,發(fā)源于江西省尋鄔縣,上游稱鄔水,南流入廣東境內(nèi),至龍川合河壩匯安遠(yuǎn)水（又名定南水）后稱東江。東江干流從東北向西南流動(dòng),干流至石龍全長(zhǎng)250 km,流域總面積35340 km2。本工程坐落在東江南支流（萬江河段）,即大汾南水道,河段順直,河寬約100 m。

1.2 橋梁概況

擬建橋梁跨越東江南支流（萬江河段）,道路等級(jí)為Ⅲ級(jí)公路,橋梁全長(zhǎng)389.536m,主橋?qū)挾?2 m,引橋?qū)挾?6 m,橋梁總面積7072.54 m2。擬建工程涉及河道及管理范圍橋墩共計(jì)5 排,單跨寬度35 m,其中3 排橋墩（5#～7#橋墩）布設(shè)于河道內(nèi),2 排橋（4#,8#橋墩）墩位于河道管理范圍內(nèi)。橋梁線位與河道岸線基本垂直,橋墩順?biāo)鞣较蜉S線與河道水流方向一致。擬建橋梁的設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)為100 年一遇,相應(yīng)水位5.09 m,東江南支流（萬江河段）為Ⅶ級(jí)航道,防洪堤標(biāo)準(zhǔn)定為堤庫(kù)結(jié)合50 年一遇,相應(yīng)的洪水位為4.85 m。

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 基本方程

正交坐標(biāo)系下的二維潮流控制方程如下：

其中,vt為紊動(dòng)粘性系數(shù),即vt=au*H。公式中各參數(shù)可參照相應(yīng)文獻(xiàn),此處不再贅述。

2.2 計(jì)算方法

采用ADI 方法離散控制方程,

基本方程組采用ADI 法離散, 潮流連續(xù)方程和動(dòng)量方程在n 層上x 向的離散格式整理如下：

式中：A、B、C、f、A1、B1、C1、f1、A2、B2、C2、f2等為離散系數(shù)。對(duì)離散后的基本方程組采用追趕法進(jìn)行求解。

2.3 地形資料、模型范圍及網(wǎng)格劃分

二維數(shù)學(xué)模型地形資料采用實(shí)測(cè)地形。以橋幅中軸線上游510 m～下游460 m 作為二維數(shù)學(xué)模型計(jì)算區(qū)域的進(jìn)口和出口斷面,計(jì)算長(zhǎng)度為970 m,二維計(jì)算范圍見附圖1。二維計(jì)算以河道兩岸作為陸地邊界線。根據(jù)工程模擬計(jì)算經(jīng)驗(yàn),該計(jì)算范圍基本可以包括擬建大橋工程對(duì)工程所在河道行洪影響所及的范圍。

圖1 數(shù)學(xué)模型計(jì)算范圍圖

根據(jù)河道河勢(shì)實(shí)際和地形變化疏密設(shè)置網(wǎng)格大小,在擬建工程附近布設(shè)最密集,網(wǎng)格最大尺寸為2 m×4 m,最小尺寸0.75 m×1.5 m,共布置網(wǎng)格共700×40 個(gè)。模擬水域面積約0.1 km2。二維計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格劃分見附圖2。

圖2 數(shù)學(xué)模型網(wǎng)格布置示意圖

2.4 計(jì)算過程

通過上述基本方程、求解方法和計(jì)算網(wǎng)格,即可進(jìn)行程序的編制和調(diào)試,建立二維數(shù)學(xué)模型。在給定邊界和初始條件下,進(jìn)行模型的率定和驗(yàn)證以確定合適的計(jì)算參數(shù)后,就可進(jìn)行具體設(shè)計(jì)工況的計(jì)算了。模型編程中變量皆采用雙精度實(shí)型量,各行洪影響計(jì)算水文組次中,時(shí)間步長(zhǎng)為1 s,水位控制精度為0.001 m,流速控制精度為0.01 m/s。

2.5 動(dòng)邊界的處理

對(duì)研究范圍內(nèi)隨潮落潮漲而出沒的沙洲和灘地,計(jì)算時(shí)采用動(dòng)邊界技術(shù),即將落潮期間出露的區(qū)域轉(zhuǎn)化為灘地,同時(shí)形成新邊界；反之,將漲潮期間淹沒的灘地轉(zhuǎn)化成計(jì)算水域。

2.6 工程概化

合理概化擬建大橋結(jié)構(gòu)要符合實(shí)際情況,則可獲得較精確的計(jì)算成果。對(duì)于擬建大橋布置在河道內(nèi)的橋墩部分,將橋墩分布的二維計(jì)算網(wǎng)格作固化不過水處理。

2.7 計(jì)算工況

本次防洪評(píng)價(jià)研究主要包括兩種計(jì)算工況：

（1）工程前：在現(xiàn)有的情況下,研究工程附近水流動(dòng)力條件特征。

（2）工程后：在工程前的基礎(chǔ)上,考慮明珠灣大橋的實(shí)施,研究工程實(shí)施后對(duì)水流動(dòng)力條件的影響。

3 防洪影響要素評(píng)價(jià)

3.1 壅水分析計(jì)算

相對(duì)于天然河道,在P=1%、2%、5%不同設(shè)計(jì)頻率洪水條件下：擬建大橋上游水位壅高最大值分別為2.0 cm、1.7 cm、

1.6 cm,橋下水位跌落最大值分別為0.1 cm、0.1 cm、0.1 cm。

根據(jù)計(jì)算成果,在P=1%、2%、5%不同設(shè)計(jì)頻率洪水條件下,萬1#處水位壅高值已降至0.7 cm、0.6 cm、0.4 cm,萬2#水位壅高值已降至0.3 cm、0.2 cm、0.1 cm。

3.2 大橋工程對(duì)河道流態(tài)、流速的影響分析

根據(jù)二維水流數(shù)學(xué)模型計(jì)算成果,可以從流速的變化來定性分析工程建設(shè)前、后河床地沖淤變化。行洪影響二維數(shù)學(xué)模型計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)量較大,為直觀起見,有針對(duì)性地選取有代表性的計(jì)算成果整理成圖表形式,再進(jìn)行歸納、比較和分析。

取樣點(diǎn)布置見圖3。特征流速、流向變化統(tǒng)計(jì)成果見表1。

表1 取樣點(diǎn)洪水流速特性變化統(tǒng)計(jì)表（P=1%）

圖3 取樣點(diǎn)布置示意圖

從擬建大橋工程在各設(shè)計(jì)水文組合條件下的流速變化等值線分布圖可知：擬建大橋工程實(shí)施后,受橋墩疏水作用的影響,工程及橋中軸線上游400 m～下游300 m 一定范圍內(nèi),局部水動(dòng)力條件會(huì)發(fā)生調(diào)整,對(duì)局部沖淤有所影響。

（1）大橋工程建設(shè)后,由于橋墩束窄了河道,這使得橋孔處的流速增加,增加值在0.01 m/s～0.6 m/s 之間。根據(jù)統(tǒng)計(jì)（見表1）,橋孔處的取樣點(diǎn)流速增加值在0.102 m/s～0.184 m/s之間,增幅在5.78%～22.43%之間。

（2）受大橋橋墩遮蔽影響,上游發(fā)生大洪水時(shí),擬建大橋位于河道內(nèi)的橋墩上、下游近區(qū)流速呈帶狀或梭形減小并逐漸衰減,流速減少值在0.01 m/s～0.2 m/s,向上、下游分別延伸約400 m 和300 m 后逐漸恢復(fù)至工程前狀態(tài),流速減小將導(dǎo)致水流挾沙能力降低,進(jìn)而引起泥沙淤積。

（3）受橋墩束流作用影響,大橋下游河道兩岸流速增加,增加值0.01 m/s～0.6 m/s。河道下游左側(cè)流速增加范圍大于河道右側(cè)。

3.3 工程對(duì)河道水流動(dòng)力軸線變化影響分析

水流動(dòng)力軸線是指河道橫斷面垂線流速最大點(diǎn)的連線。從工程前后流速變化等值線圖可知,擬建工程建設(shè)后,水流仍主要在河槽區(qū)運(yùn)行。根據(jù)工程前后水流動(dòng)力軸線變化圖（圖4）,水流動(dòng)力軸線最大變化值為1.8 m,位于擬建大橋工程下游附近。至二維數(shù)學(xué)模型計(jì)算上下游邊界處,水流動(dòng)力軸線逐步恢復(fù)正常。

圖4 水流動(dòng)力軸線變化圖

4 結(jié)語(yǔ)

本文構(gòu)建了跨河橋梁河道平面二維流程數(shù)值模擬模型,模擬了不同洪水頻次條件下橋梁所在河段平面二維流程,以獲取橋梁建設(shè)前后水位、流速及水流動(dòng)力軸線變化情況,為橋梁設(shè)計(jì)及行洪安全提供技術(shù)支撐。本文構(gòu)建的數(shù)值模型,能夠有效應(yīng)用于涉水橋梁的防洪影響評(píng)價(jià),較為精確地反映橋墩附近水流形態(tài),保證了流場(chǎng)計(jì)算可靠性,具有較高的應(yīng)用和推廣價(jià)值。