李 彬,朱殿芳,郭志學(xué)

(1.四川大學(xué)工程設(shè)計(jì)研究院有限公司,成都 611132;2. 成都市市政工程設(shè)計(jì)研究院有限公司,成都 610213;3.四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610065)

橋是“中國建造”的代表之一,近些年隨著我國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展,越來越多的跨江、跨河大橋正在建設(shè)之中,橋梁型式也不斷多樣化。在跨河橋梁設(shè)計(jì)中,受地形、河流形態(tài)及周邊建筑的限制等,往往造成路線與河道斜交或橋梁橋墩結(jié)構(gòu)斜交[1-2]。橋墩阻水率反映了橋墩占用行洪面積的比例,是檢驗(yàn)橋梁阻水程度的重要指標(biāo)[3]。在河道展寬且岸線彎曲河道內(nèi)設(shè)置橋墩時(shí),水流流向往往并不完全與岸線平行,橋墩如考慮水流斜交影響,采用橋墩在垂直于水流方向上的投影寬度來計(jì)算阻水率時(shí),往往會導(dǎo)致阻水率大大增加,使阻水率超出規(guī)定限值,對前期橋梁方案造成顛覆性修改。目前,采用一維、二維模型進(jìn)行壅水計(jì)算的研究較多[4-10],針對斜交橋梁的壅水研究也不少[3],但對斜交橋梁阻水率計(jì)算的研究較少。橋墩設(shè)置位置一般靠近河岸,岸邊流速往往低于主流區(qū)流速,阻水率除與單位寬度的過流面積(水深)有關(guān)外,也與當(dāng)點(diǎn)流速大小有關(guān),一維模型計(jì)算中,以橋位斷面平均流速計(jì)算橋墩阻水,實(shí)際上放大了數(shù)倍作用流速,如果橋墩再考慮斜交投影,增加投影面積,則會高估橋梁的壅水作用。為了能更好地說明斜交橋墩對水流的阻水作用,本次采用了二維模型對建橋后的水流流態(tài)進(jìn)行了模擬驗(yàn)證。本文阻水率的計(jì)算方法可為類似跨河橋梁涉水橋墩阻水率的計(jì)算提供參考。

1 工程概況

錦尚大橋位于成都市河?xùn)|片區(qū)核心區(qū),主要銜接錦江兩岸科華南路(紅星路南延線)與國華街(經(jīng)三路)濱江景觀路的通過性交通量轉(zhuǎn)換,承擔(dān)天府大道與成仁路東西向到達(dá)性交通的集散,是片區(qū)快速路網(wǎng)及主干道系統(tǒng)中的重要通道工程。錦尚大橋分三跨跨過錦江,橋梁跨徑為:33+180+42=255 m,主跨跨徑為180 m,橋頭引道長度176.368 m,橋面寬度34 m,拱梁結(jié)合處人行道外繞至拱肋外側(cè),橋面寬變?yōu)?0 m,橋梁最低梁底高程為486.86 m,錦江規(guī)劃防洪標(biāo)準(zhǔn)為200年一遇。主橋采用下承式鋼箱拱梁組合體系、主拱為傾斜雙拱肋、雙索面、鋼箱梁,吊桿為柔性單吊桿。橋墩采用Y型墩,呈花瓶型,為利于漂浮物過橋,橋梁橋墩前段和末段采用弧形,弧段高0.75 m(非豎向),中間采用直線段,直線段長4.8 m,總墩長6.3 m,下部標(biāo)準(zhǔn)墩寬4.5 m,墩寬逐漸漸變至7 m寬后,分為兩叉支墩,設(shè)計(jì)洪水處墩寬為5 m。左岸橋墩布置方向與水流方向基本一致,投影寬度與橋墩尺寸一致。右岸橋墩布置方向與水流方向呈約15°夾角,上游排橋墩與下游排橋墩相距28 m。橋梁平面布置見圖1所示。

圖1 橋梁平面布置

工程河段目前已按規(guī)劃完成了堤防工程建設(shè),橋位斷面河道寬216 m,主槽為坡比1∶2的斜坡式混凝土面板河堤,主槽高3.5 m,上接2 m寬人行步道,其上為斜坡綠化帶。錦江流域的水文站、水位站、流量站較多,工程位置上游有望江樓水文站,下游有華陽鎮(zhèn)水位站。根據(jù)望江樓水文站和華陽水位站的洪水觀測成果,采用內(nèi)插法計(jì)算錦江工程河段的設(shè)計(jì)洪水。工程河段控制斷面的區(qū)間集雨面積109.7 km2,相應(yīng)200年一遇防洪流量為1 580 m3/s。

2 模型設(shè)計(jì)

HEC-RAS(River Analysis System )計(jì)算模型是美國工程兵團(tuán)編制的一維河流分析系統(tǒng)軟件,可以計(jì)算恒定流,也可計(jì)算非恒定流,可模擬橋孔、涵洞、壩面溢流等,還可定義死水區(qū)、堤線等。水面線計(jì)算通過求解能量方程從一斷面計(jì)算到下一斷面,在求解方程過程中采用了遞次求近法。該模型通過輸入工程地形、上游流量、下游水位等基本資料來計(jì)算恒定流條件下河道各斷面水位。

2.1 計(jì)算范圍

錦尚大橋工程下游約300 m為復(fù)地金融島,其后河道分為兩汊,該河段范圍內(nèi)水流條件變化較大,均不適宜作為控制斷面,因此取復(fù)地金融島下游約400 m的繞城高速公路大橋斷面作為出口控制斷面,分析河段總長3.4 km。

2.2 河道地形與斷面資料

分析河段長度為3.4 km,錦江河堤已按規(guī)劃完成打造,河勢整體比較穩(wěn)定,根據(jù)河勢地形,共布設(shè)21個(gè)水文斷面,CS10～CS11之間為錦尚大橋斷面。

2.3 河道糙率

河道河床糙率參照錦江河道設(shè)計(jì)糙率,河道主槽糙率取為0.0275,兩側(cè)岸坡糙率按0.035取值。

3 一維模型計(jì)算結(jié)果

按上述資料和方法,對P=0.5%設(shè)計(jì)洪水作用下,工程前、后的河段沿程水力參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算。錦尚大橋建設(shè)前后,P=0.5%設(shè)計(jì)洪水下各斷面的水位、平均流速、過流面積及過流寬度等詳見表1。

表1 工程前、后200年一遇洪水時(shí)沿程斷面水力參數(shù)變化

錦江分析河段河道發(fā)生200年一遇洪水時(shí),河道主槽已無法滿足過流要求,需通過兩側(cè)復(fù)式綠化放坡區(qū)域過流,堤頂線為兩側(cè)綠化放坡坡頂,河段整體能滿足200年一遇過流要求,堤頂不會發(fā)生漫溢。工程段新建橋梁后,主槽區(qū)域內(nèi)橋墩涉水,對上游有一定的壅水作用。新建錦尚大橋后,上游最大壅水高度為0.05 m,新建橋梁壅水影響范圍為上游約350 m范圍,工程后現(xiàn)狀堤防高度能滿足防洪要求。受壅水作用,工程段流速較天然減小最大約0.03 m/s。橋孔斷面因斷面收縮,流速略有增加。

新建錦尚大橋處,中間主跨有兩排橋墩涉水,工程后過流寬度和面積會有所減小,工程河段本身位于河流展寬段上,行洪斷面較上游河道基本行洪斷面擴(kuò)大較多,工程方案對河道行洪總體影響較小。橋梁斷面位置處天然過流寬度221 m,橋墩沿水深變化,河床處橋墩寬度為4.5 m,200年一遇洪水位處橋墩增寬為5 m。右岸橋墩阻水率計(jì)算暫考慮兩種情況,第一種情況:不考慮上、下游橋墩疊加作用,將右岸橋墩按正交投影到橋梁軸線斷面上,計(jì)算阻水率;第二種情況:右岸橋墩處實(shí)際水流流向并不完全與岸線平行,橋墩需考慮水流斜交影響,根據(jù)橋梁與水流斜交角度,橋墩寬度采用水流方向投影寬度,河床處橋墩投影寬度為5.7 m,設(shè)計(jì)洪水位處寬度為6.2 m,即考慮右岸上下游兩排橋墩阻水的疊加影響(上下游橋墩均往橋梁軸線斷面投影)來計(jì)算橋梁的阻水率。兩種情況下的阻水率計(jì)算結(jié)果如表2。

表2 工程后200年一遇洪水過流面積變化

4 二維模型驗(yàn)算

驗(yàn)算模型采用平面二維非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格數(shù)學(xué)模型,為較好地模擬橋墩結(jié)構(gòu),計(jì)算模型采用四邊形與三角形混合網(wǎng)格,對橋墩所在河段采用三角形網(wǎng)格,其他河段采用四邊形網(wǎng)格模擬。共剖分為11 759個(gè)節(jié)點(diǎn),14 862個(gè)網(wǎng)格單元,網(wǎng)格面積小于15 m2。

建橋后,200年一遇洪水時(shí),評價(jià)河段流場如圖2、圖3所示,橋位段水位影響等值線圖如圖4所示。

圖2 錦尚大橋工程河段建橋后流場

圖3 橋位處局部流場

圖4 橋位段水位影響等值線

二維模型計(jì)算結(jié)果表明:錦尚大橋左岸側(cè)橋墩軸線基本平行于水流方向,上下游橋墩互相隱蔽,正交投影計(jì)算不增加橋墩阻水作用寬度,右岸橋墩雖略有交錯(cuò),但橋墩上、下游間距約28 m,水流可由墩間繞流通過,擬建橋梁橋墩阻水作用實(shí)際未見明顯疊加,右岸下游橋墩前最大壅水高度約0.03 m,至右岸上游橋墩處水位壅高值僅約0.005 m,說明下游橋墩的壅水作用到上游橋墩位置處已基本消除。事實(shí)上,二維數(shù)學(xué)模型計(jì)算的壅水高度除在橋墩迎水面因水流沖擊爬高導(dǎo)致的壅水高度可達(dá)0.03～0.05 m外,橋梁上游斷面壅水高度最大值普遍在0.015 m以下,遠(yuǎn)小于一維數(shù)學(xué)模型計(jì)算壅水值。

由于阻水率定義中以斷面流速均勻分布為基本假定,用斷面過流面積幾何關(guān)系近似表征阻水率,對流速分布差異較大的情況,與實(shí)際阻水作用的關(guān)系將出現(xiàn)較大誤差。事實(shí)上,阻水率的概念中應(yīng)以單位寬度過流面積與當(dāng)點(diǎn)流速的乘積計(jì)算橋墩阻水區(qū)域過流量與斷面總過流量的比值,才能更好地反映橋墩對過流的影響。因擬建錦尚大橋橋墩處天然流速僅0.7～0.9 m/s,遠(yuǎn)小于主流流速,其實(shí)際阻水率按流速加權(quán)后將遠(yuǎn)小于前述幾何法計(jì)算的阻水率成果。即使不考慮采用流速分布修正阻水率定義,從二維數(shù)等模型計(jì)算壅水等值線圖也可看出,下游橋墩的壅水作用到上游橋墩位置處已基本消除,上下游橋墩壅水疊加作用基本不存在,采用第1種情況計(jì)算的阻水率4.4%已足以反映工程河段的阻水率。

5 結(jié)論

針對跨河大橋橋墩軸線與水流方向斜交的特點(diǎn),本文通過一維模型和二維模型計(jì)算結(jié)果,得到如下初步認(rèn)識:

(1)橋墩設(shè)置區(qū)流速低于主流區(qū)流速較多時(shí),阻水率計(jì)算除與單位寬度的過流面積(水深)有關(guān),也與當(dāng)點(diǎn)流速大小有關(guān)。按流速加權(quán)后實(shí)際阻水率將遠(yuǎn)小于采用幾何法計(jì)算的阻水率成果。

(2)以單位寬度過流面積與當(dāng)點(diǎn)流速的乘積計(jì)算橋墩阻水區(qū)域過流量,采用阻水區(qū)域過流量與斷面總過流量的比值,才能更好地反映橋墩對過流的影響。

(3)上下游橋墩間距較大時(shí),橋墩的阻流疊加作用相對較弱,斜交橋梁仍全部向一個(gè)斷面投影的計(jì)算方法偏于保守,但橋墩間距的臨界值受橋墩型式、河道地形、洪水流量等因素影響,需結(jié)合類似已建工程和數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行確定,不能一概而論。

(4)斜交橋梁在行洪評價(jià)時(shí),上下游橋墩壅水不存在疊加作用時(shí),采用一維數(shù)學(xué)模型計(jì)算成果,按正交投影來計(jì)算阻水率即可反映工程橋梁的阻水率。