串列矩形橋墩對通航水流影響的二維數(shù)值模擬

池麗敏，魏月梅，馮佳佳，周 強(qiáng)

（1. 南京市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司，江蘇 南京 210022；2. 江蘇蘇盛工程造價(jià)咨詢有限公司，江蘇 南京 210029；3. 江蘇省水土保持生態(tài)環(huán)境監(jiān)測總站，江蘇 南京 210008）

串列矩形橋墩對通航水流影響的二維數(shù)值模擬

池麗敏1，魏月梅2，馮佳佳1，周 強(qiáng)3

（1. 南京市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司，江蘇 南京 210022；2. 江蘇蘇盛工程造價(jià)咨詢有限公司，江蘇 南京 210029；3. 江蘇省水土保持生態(tài)環(huán)境監(jiān)測總站，江蘇 南京 210008）

瀘州河?xùn)|長江大橋采用鉆石形串排矩形柱型主塔，為了研究其主塔橋墩對該橋區(qū)河段各通航水流特性的影響，采用平面二維水流數(shù)學(xué)模型，模擬該河段方案實(shí)施前后的橋區(qū)河段流場，分析串列矩形柱橋墩對水流條件的影響。針對數(shù)模結(jié)果，從工程應(yīng)用角度的分析表明在各級流量下工程實(shí)施前后橋區(qū)河段水位、流速變化較小，紊流寬度對通航條件影響較小，不會(huì)對橋區(qū)通航產(chǎn)生顯著影響。

矩形柱；數(shù)值模擬；水流條件；通航

近 20 多 a 來，隨著中國經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展對交通運(yùn)輸?shù)男枨?，橋梁建設(shè)進(jìn)入快速發(fā)展時(shí)期。建橋后，橋墩使得原有水流條件發(fā)生改變，通航條件也相應(yīng)發(fā)生改變，形成航道部門習(xí)稱的橋區(qū)航道[1]。楊忠超等[2]利用橋墩概化模型試驗(yàn)與三維數(shù)值模擬計(jì)算論證魚洞長江大橋?qū)νê降挠绊懀粐?yán)建科等[3]利用水槽試驗(yàn)驗(yàn)證單圓柱繞流水流結(jié)構(gòu)；李彬等[4]則應(yīng)用 Mike 21 軟件模擬分析了不同橋墩布置形式斜交橋?qū)拥谰植苛鲌龅挠绊憽Ｍㄟ^建立平面二維數(shù)學(xué)模型，仿真模擬串列矩形柱橋墩在橋墩方案實(shí)施前后周圍的水流流場變化，從工程應(yīng)用角度分析該橋墩方案下通航水流條件的變化對通航水流的影響，為科學(xué)建設(shè)該項(xiàng)目及保障類似通航情況安全提供借鑒與參考。

1 工程概況

1.1 橋梁概述

河?xùn)|長江大橋河?xùn)|長江大橋是規(guī)劃的四川長江干線主航道 17 座過江通道之一，位于長江上游瀘州段的納溪水道下段，橫跨長江連接瀘州市江陽區(qū)和納溪區(qū)，橋梁南岸接 G246 線（原 S308 線），北岸接江陽區(qū)規(guī)劃道路。最終確定的推薦橋型為雙塔疊合梁斜拉橋，主塔采用鉆石型并排矩形柱，橋梁孔跨布置尺寸為 9×30 m（小箱梁）+（210 + 450 + 210）m。如圖1 所示，主橋結(jié)構(gòu)型式為雙塔、雙索面、密索體系，兩岸各設(shè)置 1 個(gè)輔助墩，主橋長878 m，橋梁全長 1 156 m。橋塔采用鉆石型塔，兩岸主塔塔高分別為 131.5 m（納溪岸）和 149.4 m（江陽岸），塔柱均為變截面，橋塔基礎(chǔ)為承臺(tái)+樁基礎(chǔ)。邊塔、中塔柱在縱向輪廓尺寸分別為 8.0～12.0 m，1# 墩位于河道中，2# 墩位于右岸上。

圖1 主橋孔跨布置示意圖

1.2 河勢概況

擬建大橋位于長江上游納溪水道末端，下接石棚水道。如圖2 所示，工程河段河道形態(tài)為彎曲河道，推薦橋位（下橋位）處于納溪下游約 1.2 km 彎頂附近，橋位上游白鶴盆彎道進(jìn)口段，河道相對寬闊；橋位所在彎頂段，左岸有砂石堆場和磧壩伸出河心，右岸立石盤突出阻水，河寬縮窄，水流趨于集中，各水位期水流隨彎循河心下，洪、枯水面寬度相差較大。橋位下游河道逐漸放寬，洪水期，右岸側(cè)石梁淹沒，水流隨彎逐漸分散，主流仍循河心下。

圖2 擬建橋位及河勢圖

1.3 水位流量

擬建大橋上游有長江李莊水位站，該水位站為長江干流上段的國家基本水位站，根據(jù)李莊至瀘州河段歷史調(diào)查及實(shí)測的水面線，建立李莊站與擬建大橋的水位關(guān)系，然后將李莊站水位流量關(guān)系轉(zhuǎn)換至擬建大橋，據(jù)擬建大橋水位流量關(guān)系和設(shè)計(jì)流量，即可得到設(shè)計(jì)水位；同時(shí)利用橋位的流量水位，根據(jù)實(shí)測資料計(jì)算得出的河道比降即可推求河段的計(jì)算尾水位。

2 數(shù)學(xué)模型的建立及驗(yàn)證

為了復(fù)演方案前后橋區(qū)流場情況，需要通過二維數(shù)學(xué)模型進(jìn)行模擬，采用沿平均水深的有限元法二維水流數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算[5]，對淺水方程的時(shí)間采用差分法進(jìn)行離散，采用有限單元法對空間進(jìn)行離散，單元插值采用混合插值方法。根據(jù)數(shù)模驗(yàn)證階段對糙率的率定，不同計(jì)算流量下糙率不同，糙率系數(shù) n 的取值范圍在 0.019～0.022 之間，干濕臨界水深為 0.15 m。對于非線性方程組，采用 Newton-Raphson方法進(jìn)行求解。該模型具有計(jì)算精度高，模擬復(fù)雜邊界條件較好等特點(diǎn)。

2.1 控制方程

水流連續(xù)方程：

各式中：t 為時(shí)間；u，v 分別為沿 X，Y 方向的流速；h 為水深；η 為床面高程；g 是重力加速度；εxx，εyy，εxy是紊動(dòng)粘性系數(shù)，取為 a u*h，a = 3～5，n 為糙率系數(shù)， u*為摩阻流速。

2.2 計(jì)算條件

此次數(shù)值模擬計(jì)算的是定場流計(jì)算，需在上游設(shè)置來水流量，在下游設(shè)置尾水位。需選取有代表性的流量工況作為計(jì)算輸入條件，使得數(shù)模結(jié)果更好地反映橋區(qū)河段在不同流量下的通航水流條件，具體如表1 所示。

表1 計(jì)算邊界條件

2.3 計(jì)算域的確定及網(wǎng)格生成

橋位模型計(jì)算網(wǎng)格如圖3 所示，計(jì)算河段總長約 7 000 m，計(jì)算進(jìn)口距推薦橋位約 2 800 m，網(wǎng)格尺度縱向 20 m，橫向約 15～18 m，單元數(shù) 45 121 個(gè)。計(jì)算河段采用三角形網(wǎng)格進(jìn)行離散，對橋墩附近網(wǎng)格進(jìn)行加密，在計(jì)算時(shí)橋墩作不過水處理。

圖3 計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格劃分示意圖

2.4 數(shù)學(xué)模型的驗(yàn)證

本次計(jì)算采用 2007年實(shí)測工程河段地形圖進(jìn)行建模，為了驗(yàn)證模型的可靠性，并對相關(guān)模型參數(shù)進(jìn)行率定。本研究分別采用 2015年 3，6，7月份水文觀測資料[6]、流速流向?qū)崪y圖對計(jì)算的水位和流速進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證表如表2 和 3 所示。

1）水位驗(yàn)證。通過將計(jì)算結(jié)果與枯水期、中水期與洪水期實(shí)測結(jié)果進(jìn)行對比，且反復(fù)調(diào)試計(jì)算參數(shù)，根據(jù) 2015年 6，7月 2 次實(shí)測水位資料，對該河段內(nèi)的水位進(jìn)行驗(yàn)證。從表2 和 3 的數(shù)模計(jì)算結(jié)果與實(shí)測資料的對比可以發(fā)現(xiàn)，二者偏差不大；大多數(shù)水位測點(diǎn)的實(shí)測值與計(jì)算值差值在 ± 0.100 m以內(nèi)，同時(shí)由于測量精度原因，個(gè)別水尺水位偏差稍大，但誤差均保持在 ± 0.280 m 之內(nèi)，不影響數(shù)模計(jì)算整體的準(zhǔn)確性，故該模型可用于方案前后流場的模擬計(jì)算。

表2 6月水位驗(yàn)證表（qV= 3 500 m3/s） m

表3 7月水位驗(yàn)證表（qV= 14 100 m3/s） m

2）流速驗(yàn)證。應(yīng)用建立的水流數(shù)學(xué)模型，對工程河段驗(yàn)證流量進(jìn)行流速驗(yàn)證。這里以中水流量為例，如圖4～7 所示，數(shù)模計(jì)算流速的大小及分布的位置均與實(shí)測資料符合度較高，實(shí)測點(diǎn)位的計(jì)算值與實(shí)測值之間的差值均在 ±0.150 m/s 的范圍內(nèi)，個(gè)別差值較大，但也在 ±0.300 m/s 的范圍內(nèi)，計(jì)算與實(shí)測偏差值控制在 ±10% 范圍內(nèi)，符合相關(guān)規(guī)范的要求[7]。

圖4 1# 段面流速驗(yàn)證圖（qV= 3 500 m3/s）

圖5 2# 段面流速驗(yàn)證圖（qV= 3 500 m3/s）

圖6 3# 段面流速驗(yàn)證圖（qV= 3 500 m3/s）

圖7 4# 段面流速驗(yàn)證圖（qV= 3 500 m3/s）

3 計(jì)算成果分析

3.1 流場影響分析

大橋建成以后，會(huì)對河段流場產(chǎn)生影響，這里選取了最大一級流量（qV= 51 000 m3/s）下工程前后橋墩附近流場變化等值線圖進(jìn)行分析，如圖 8 所示。由于受橋墩擠壓，河道束窄，橋墩左右兩側(cè)流速都有不同程度增加，靠左岸因過水面積較小，流速增加近 1.000 m/s，但離主航線較遠(yuǎn)，右側(cè)流速最大增加 0.300 m/s左右，故均不會(huì)影響通航。同時(shí)因橋墩的阻水，使橋墩上下游流速不同程度降低，尤其墩前的局部流速減小幅度較大；通航孔內(nèi)流速相對其他水域流速變化較?。欢诙蘸笮纬傻难谧o(hù)區(qū)內(nèi)，流速減小范圍大，并形成一定范圍的回流區(qū)。

圖8 方案前后流速差等值線云圖（qV= 51 000 m3/s）

橋墩周圍由于橋墩的阻水作用流速改變值較大，通航孔流速差值與影響范圍最大情況均發(fā)生在最大一級流量下。如圖 9 比較了主航線上建橋前后qV= 21 350 m3/s 時(shí)的流速，建橋后橋墩處流速因橋墩阻水略小于建橋前流速，主通航孔內(nèi)流速差值均在0.100 m/s 以內(nèi)。從比降來看，如圖10 所示。在墩前因壅水墩后跌水致橋墩處比降增大，但建橋前后的比降變化趨勢基本一致，不會(huì)對通航造成顯著的影響?？傮w雙矩形橋墩對通航孔內(nèi)水流的影響較小。

圖9 建橋前后代表航線流速（qV= 21 350 m3/s）

圖10 建橋前后代表航線比降（qV= 51 000 m3/s）

3.2 流態(tài)分析

串列矩形橋墩繞流會(huì)在橋墩下游產(chǎn)生尾渦湍流區(qū)，如圖11 所示，由于 2 個(gè)圓柱距離較近，整體表現(xiàn)出單物體繞流特性[8]，計(jì)算結(jié)果顯示矩形柱間流速保持在 0.015 m/s 以內(nèi)。同時(shí)由于繞流現(xiàn)象的存在，橋梁建成后會(huì)在橋墩周圍形成紊流區(qū)，對橋區(qū)水域的河床演變和航道安全產(chǎn)生影響[9]。

圖11 流態(tài)圖

紊流區(qū)影響寬度計(jì)算公式為

式中：E 為橋墩紊流總寬度；K1為與橋墩形狀相關(guān)的系數(shù)；v1為墩前水流流速；b 為墩形計(jì)算寬度；h為橋墩附近水深。

由式（4）[9]可知流量越大、流速越大，紊流寬度也就越大；故取最高通航流量并根據(jù)數(shù)模成果計(jì)算得出 1# 墩紊流寬度為 38 m，綜合考慮到跨徑及洪中枯航線的布置，橋墩紊流區(qū)對于船舶通過橋區(qū)影響較小。

4 結(jié)語

1）橋區(qū)水位呈現(xiàn)墩前雍水、墩后跌水的情況，墩前的局部流速減小幅度較大，墩后形成的掩護(hù)區(qū)內(nèi)，流速減小范圍大，并形成一定范圍的回流區(qū)。

2）通航孔流速差值與影響范圍最大情況均發(fā)生在最大一級流量下，建橋后主通航孔內(nèi)流速差值均在 0.100 m/s 以內(nèi)。從比降看，建橋前后的比降變化趨勢基本一致，不會(huì)對通航造成顯著的影響，雙矩形橋墩對通航孔內(nèi)水流的影響較小。

3）工程前后通航孔附近水域流速變化較小，橋區(qū)河段流速分布與建橋前基本一致，串列矩形橋墩附近流場呈現(xiàn)單物體繞流特性，最高通航流量下紊流寬度對橋區(qū)通航航道寬度影響較小。

參考文獻(xiàn)：

[1] 繆吉倫，張曉明，王召兵. 橋梁建設(shè)對內(nèi)河通航條件的影響研究[J]. 水運(yùn)工程，2004 （9）: 66-69.

[2] 楊忠超，陳明棟，楊勝發(fā)，等. 魚洞長江大橋橋墩對水流及通航的影響研究[J]. 人民長江，2009，40 （22）: 63-66.

[3] 嚴(yán)建科，焦臣，龍濤，等. 單圓柱橋墩繞流流場試驗(yàn)研究[J]. 西安建筑科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2012，44 （6）: 779-785.

[4] 李彬，孫東坡，賴冠文，等. 橋墩布置形式對橋墩繞流及局部流場的影響[J]. 中國農(nóng)村水利水電，2013 （7）: 129-132，134.

[5] 魯婧，王向東，成晨，等. 相同壓縮比條件下單雙排橋墩群流場分析[J]. 人民黃河，2013，35 （1）: 115-116，119

[6] 國務(wù)院. 長江經(jīng)濟(jì)帶綜合立體交通走廊規(guī)劃（2014—2020年）[J]. 中國水運(yùn)，2014 （10）: 21-25.

[7] 胡小慶，解中柱，劉勇，等. 長江干線宜賓至重慶河段提升河段航道等級可行性研究成果[R]. 重慶：長江重慶航運(yùn)工程勘察設(shè)計(jì)院，2014: 27-35.

[8] 林姍，陳明棟，陳明. 橋墩紊流寬度研究綜述[J]. 水利水運(yùn)工程學(xué)報(bào)，2011 （2）: 105-110.

[9] 莊元. 橋墩紊流寬度的試驗(yàn)研究[J]. 武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)（交通科學(xué)與工程版），2007，31 （5）: 846-849.

（1. Nanjing Water Planning and Designing Institute CO. Ltd, Nanjing 210022, China; 2. Jiangsu Susheng Engineering Cost Consulting Co. Ltd, Nanjing 210029, China; 3. Soil and Water Conservation Ecological Environment Monitoring Station of Jiangsu Province, Nanjing 210008, China）

Influence of tandem rectangular pier for navigation flow based on 2D numerical simulation

CHI Limin1, WEI Yuemei2, FENG Jiajia1, ZHOU Qiang3

East Yangtze River Bridge of Luzhou takes the diamond-shaped rectangular column piers in tandem arrangement as its main tower. In order to study the influence of the main pylon pier on the flow characteristics of navigable river, it builds the 2D mathematical model of flow to simulate the flow field of the bridge area before and after the implementation of the plan, and analyzes the influence of the bridge pier on the flow condition. According to the results of the digifax, it finds that the water level and velocity change of the front and rear bridge are small at al levels of flow from the perspective of engineering application, and the width of turbulent flow has little influence on navigation conditions, and have no impact on navigation in bridge area.

rectangular column piers; numerical simulation; flow situation; navigation

P333；TV691

A

1674-9405（2017）03-0041-05

2016-11-01

池麗敏（1981-），女，河北張家口人，工程師，主要研究方向?yàn)樗そY(jié)構(gòu)和水力計(jì)算。

10.19364/j.1674-9405.2017.03.010