夏麗君，林子藝，夏世飛

(1.南京市高淳區(qū)農(nóng)業(yè)資源開發(fā)技術(shù)服務(wù)站，江蘇 南京 210000；2.淮安市水利勘測設(shè)計研究院有限公司，江蘇 淮安 223001；3.南京市高淳區(qū)水務(wù)局磚墻水務(wù)站，江蘇 南京 210000)

0 引言

根據(jù)《淮委洪水影響評價類建設(shè)項目許可技術(shù)審查規(guī)定(試行)》，跨河橋梁應(yīng)辦理洪水影響評價類審批，并開展技術(shù)審查。防洪評價計算包括水文分析計算、壅水計算、沖刷淤積計算與河勢影響分析、堤防及岸坡穩(wěn)定分析計算等內(nèi)容。

目前，防洪評價計算常用的方法有經(jīng)驗公式法、數(shù)值模型法和水工模型法[1-2]。本文主要研究二維水動力模型在壅水計算和河勢影響分析中的應(yīng)用效果。

1 概況

連云港至宿遷高速公路是《江蘇省高速公路網(wǎng)規(guī)劃(2017—2035年)》中“十五射六縱十橫”高速公路網(wǎng)絡(luò)的“橫三”，編號S16，全長約137km，于宿遷市沭陽縣境內(nèi)跨越新沂河。

橋梁全長2187.28m，橋?qū)?7m，共17聯(lián)，橋跨布置為5×30m+3×40m+20m+(45+80(跨新沂河左堤)+80+80+45)m+5×(4×40)m+(30+2×40)m+(45+80+80+80(跨新沂河右堤)+45)m+20m+3×40m+2×(3×30)m。橋梁縱軸線與新沂河交叉角度為86.0°，橋墩軸線與河道水流方向呈4.0°交角，左右兩幅采用錯位布置。

上部結(jié)構(gòu)：跨新沂河左右大堤及南、北偏泓河槽采用懸臂澆筑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁；跨灘地采用裝配式PC箱形連續(xù)梁。

下部結(jié)構(gòu)：跨新沂河南、北偏泓河槽時主橋主墩采用實體墩、承臺，過渡墩采用柱式墩、承臺，基礎(chǔ)均為鉆孔灌注樁。其中，實體墩寬3.0m，承臺寬8.1m，高3.0m；過渡墩直徑1.8m，承臺寬6.8m，高2.5m?？鐬┑貢r采用柱式墩、肋板式臺，基礎(chǔ)為鉆孔灌注樁，柱式墩直徑分別為1.6、1.8m。

2 二維水動力模型構(gòu)建

2.1 橋址處河道基本情況

新沂河西起駱馬湖嶂山閘，向東流經(jīng)新沂、宿豫、沭陽、灌云、灌南等5個縣(市、區(qū))，至堆溝、燕尾二港與灌河匯合后并港出海，全長146.3km。新沂河是沂沭泗洪水主要入海通道之一，也可擇機分泄淮河洪水入海，在淮、沂洪水不遭遇的情況下，通過淮沭河最大設(shè)計分泄淮河洪水3000m3/s。

橋址處河道堤距約1378.9m，灘地寬943.7m。其中北偏泓底高程1.55m(1985國家高程基準(zhǔn)，下同)，底寬73.5m，保麥子堰頂高程6.30m，頂寬3.4m；南偏泓底高程1.69m，底寬34.6m，保麥子堰頂高程7.29m，頂寬5.1m；灘地平均高程4.50m。

圖1 橋址處實測斷面圖(單位：高程為m，距離為dm)

2.2 二維水動力模型構(gòu)建

2.2.1計算方程

連續(xù)方程：

(1)

動量方程：

(2)

(3)

式中，t—時間；x，y—笛卡爾坐標(biāo)系坐標(biāo)；u，v分別為水深平均流速在x，y方向分量；H—總水深，H=h+ζ，h—靜止水深，ζ—水位；f—科氏力系數(shù)；ve—有效黏性系數(shù)；τbx，τby分別為切應(yīng)力在x，y方向分量；τsx，τsy分別為剪應(yīng)力在x，y方向分量；g—重力加速度；ρ—液體密度。

2.2.2網(wǎng)格布置

本次計算河段取擬建橋梁上下游各2.5km，概化時采用三角形網(wǎng)格，共生成21197個節(jié)點、41912個網(wǎng)格[3-5]，并對擬建橋梁附近網(wǎng)格進行加密。

2.2.3計算工況

根據(jù)SL/T 808—2021《河道管理范圍內(nèi)建設(shè)項目防洪評價報告編制導(dǎo)則》規(guī)定，建設(shè)項目防洪評價分析計算工況應(yīng)包括建設(shè)項目所在河道現(xiàn)狀及規(guī)劃的防洪標(biāo)準(zhǔn)對應(yīng)工況、建設(shè)項目設(shè)計防洪標(biāo)準(zhǔn)對應(yīng)工況。

本案例中新沂河現(xiàn)狀防洪標(biāo)準(zhǔn)50年一遇，規(guī)劃防洪標(biāo)準(zhǔn)100年一遇；新沂河特大橋設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)300年一遇。各計算工況下河道設(shè)計流量、設(shè)計水位及橋墩阻水情況見表1。

表1 不同計算工況下壅水計算參數(shù)表

2.2.4參數(shù)取值

根據(jù)《沂沭泗河洪水東調(diào)南下提標(biāo)工程規(guī)劃》中糙率率定成果，新沂河橋址處南、北偏泓河道糙率為0.02，灘地糙率為0.031。

3 結(jié)果分析

3.1 壅水計算成果

3.1.1二維水動力模型計算成果

根據(jù)二維水動力模型模擬成果，在50年一遇、100年一遇、300年一遇設(shè)計洪水條件下，橋梁建設(shè)前后的水位變化僅限于橋址附近，主要表現(xiàn)為上游壅水[6-7]。在50年一遇、100年一遇、300年設(shè)計洪水條件下，橋前壅水高度分別為0.01、0.02、0.02m，壅水長度分別為340、430、370m。

模型中共布置了12個水位測點，分別為Z1～Z12，其中Z1～Z6位于新沂河北偏泓，Z7～Z12位于新沂河南偏泓，橋梁建設(shè)前后的水位變化情況，見表2。

表2 數(shù)值模擬法壅水計算成果表 單位：m

3.1.2經(jīng)驗公式法壅水計算成果

橋前壅水計算常用的經(jīng)驗公式有D’Aubuisson公式、Henderson公式、鐵科院陸浩公式等[8-11]，其中應(yīng)用最廣泛的是D’Aubuisson公式，計算公式：

(4)

式中，ΔZm—橋前最大壅水高度；η—反映橋墩阻斷流量與設(shè)計流量的比值的系數(shù)，查表3即可得；vm—橋下平均流速；v0—斷面平均流速。

表3 η系數(shù)表

壅水曲線長度計算公式如下：

(5)

式中，Ly—壅水曲線全長；I0—橋址河段天然水面坡度。

經(jīng)計算，新沂河不同設(shè)計洪水工況下壅水高度及壅水曲線長度成果見表4。

表4 經(jīng)驗公式法壅水計算成果表

由表2與表4對比可知，二維水動力模型推求得到的新沂河各計算工況，壅水高度基本與經(jīng)驗公式法計算成果一致，壅水長度略小于經(jīng)驗公式法。在案例中，壅水計算最終成果可以取數(shù)值模擬法和經(jīng)驗公式法計算成果的外包值，即在50年一遇、100年一遇、300年設(shè)計洪水條件下，橋前壅水高分別為0.015、0.02、0.02m，壅水長分別為395、521、374m。

3.2 河勢影響分析

根據(jù)二維水動力模型模擬成果，橋梁建設(shè)將引起橋址附近流場變化，橋梁建設(shè)后擬建橋梁上游及其掩護區(qū)域內(nèi)流速略有減小，橋孔及近岸流速略有增加，橋孔間流速偏轉(zhuǎn)的角一般在2.0°以內(nèi)。

在50年一遇、100年一遇、300年一遇設(shè)計洪水條件下，擬建橋墩上游掩護區(qū)流速減小幅度在0.02～0.30m/s，范圍分別為110、120、150m；橋孔間流速略有增加，幅度為0.01～0.06m/s。

綜上，在50年一遇、100年一遇、300年一遇設(shè)計洪水條件下，橋梁建設(shè)對新沂河行洪時流場、流速影響很小，基本不會對新沂河河勢造成影響(實際案例中還結(jié)合了橋梁沖淤計算成果，此處不做贅述)。

4 結(jié)論

本次研究以連云港至宿遷高速公路跨新沂河特大橋為例，采用橋址附近實測資料進行水下地形概化，并通過二維水動力模型。經(jīng)計算，得到在50年一遇、100年一遇、300年一遇設(shè)計洪水條件下，橋前壅水高度、壅水長度及流場圖。

研究表明，模型計算得到的壅水高度、長度與經(jīng)驗公式法計算結(jié)果基本一致；二維水動力模型計算得到的流場圖，符合橋前流速變小、橋孔及近岸流速略有增加的一般水文規(guī)律。

本文研究成果可為同類型項目提供借鑒，但案例尚未開展水工模型試驗，未來，若條件允許，可以通過水工模型法，進一步驗證二維水動力模型計算成果的合理性與普適性。