二維數(shù)值模擬在多橋梁河段通航安全評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

宋禹辰 吳宇紅 梁一星

摘要：“夜游陸水河”是湖北省赤壁市政府大力推動(dòng)的城區(qū)旅游項(xiàng)目。陸水河城區(qū)河段建有多座橋梁，這些橋梁大多興建于20世紀(jì)，年代久遠(yuǎn)，修建時(shí)未能考慮到航運(yùn)發(fā)展需求，對(duì)船舶通航造成嚴(yán)重的安全影響。鑒于此，建立了陸水大壩一京港澳高速橋河段二維數(shù)學(xué)模型，概化橋墩、碎石等礙航結(jié)構(gòu)，并結(jié)合赤壁市水文站50a統(tǒng)計(jì)資料，綜合考慮桂家畈樞紐、節(jié)堤樞紐等航電樞紐的調(diào)度規(guī)律，計(jì)算不同工況下項(xiàng)目河段橋梁對(duì)船舶通航的影響，并對(duì)旅游航線(xiàn)開(kāi)放時(shí)間提出建議。

關(guān)鍵詞：多橋梁河段;二維數(shù)學(xué)模型;通航安全評(píng)價(jià);赤壁市

中圖法分類(lèi)號(hào)：U442.3文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2019.05.012

橋梁與航道均為公共交通基礎(chǔ)設(shè)施，跨河橋梁對(duì)航道條件的影響不容忽。但由于交通規(guī)劃、城市發(fā)展等原因，我國(guó)歷史上跨河橋梁的興建往往忽略了其對(duì)航道的影響。“夜游陸水河”是湖北省赤壁市旅游局近期大力推動(dòng)的城區(qū)旅游項(xiàng)目。陸水河城區(qū)河段建有多座橋梁，年代久遠(yuǎn)，大部分橋梁均存在跨徑不足、間距不夠等問(wèn)題，不滿(mǎn)足GB50139-2014《內(nèi)河航道通航標(biāo)準(zhǔn)》要求，對(duì)航運(yùn)發(fā)展產(chǎn)生不利影響。由于交通規(guī)劃、城市發(fā)展等歷史原因，該河段還存在廢棄的橋墩、水利設(shè)施和碎石等礙航物，給船舶通航帶來(lái)嚴(yán)重的安全隱患。

1項(xiàng)目概況

“夜游陸水河”航線(xiàn)起于陸水河陸水大壩下游500m，至京港澳高速橋終止，全長(zhǎng)約6km，規(guī)劃航線(xiàn)如圖1所示。根據(jù)相關(guān)規(guī)劃，夜游船舶采用30客位的畫(huà)舫定制船型：18.0mx4.5m×1.1m（長(zhǎng)×寬×吃水），每天安排3-5班次。

1.1通航環(huán)境

項(xiàng)目河段通航環(huán)境較為復(fù)雜，具體如下。

（1）航線(xiàn)內(nèi)需跨越9座橋梁，自上而下分別為南環(huán)橋、鐵路二橋、鐵路一橋、東洲大橋、步行橋、赤壁一橋、赤壁二橋、武廣高鐵橋和京港澳高速橋，各橋梁概況見(jiàn)表1。

（2）由于歷史原因，項(xiàng)目河段河道內(nèi)存在廢棄的橋墩、橡膠壩水泥墩和部分碎石等礙航物，如圖2所示。其中：①?gòu)U棄的橋墩位于鐵路二橋上游200m，為1930～1945年問(wèn)所建橋梁廢棄遺留。②陸水河橡膠壩位于武廣高鐵橋下游200m，建于2011年，目的是抬高城區(qū)水位、美化景觀(guān);2014年下游節(jié)堤樞紐投入使用后，該橡膠壩不再擋水，基本處于廢棄狀態(tài)，目前橡膠壩水泥中墩立于河道中。③赤壁一橋、鐵路二橋一東洲大橋橋墩附近存在部分碎石。

（3）新中國(guó)成立以來(lái)，陸水河上陸續(xù)修建了多座水利樞紐，其中項(xiàng)目河段上游建有陸水河桂家畈樞紐，下游建有陸水節(jié)堤樞紐，如圖3所示。其中：①桂家畈樞紐（陸水大壩）。位于項(xiàng)目河段起點(diǎn)上游約500m，是新中國(guó)成立初期為三峽樞紐建設(shè)提供建設(shè)經(jīng)驗(yàn)的“三峽試驗(yàn)壩”，1967年投入使用。樞紐正常蓄水位為54-55m（1985國(guó)家高程，下同），正常蓄水時(shí)可回水至上游崇陽(yáng)縣城，最大發(fā)電流量為248m/s。②節(jié)堤樞紐。位于項(xiàng)目河段終點(diǎn)京港澳高速橋下游約25.5km，2014年建成投入使用。樞紐正常蓄水位為26.46m，正常蓄水時(shí)可回水至上游桂家畈樞紐壩下，最大發(fā)電流量為144m/s。對(duì)節(jié)堤樞紐而言，當(dāng)壩前來(lái)流量≤144m/s時(shí)，庫(kù)水位維持在正常蓄水位26.46m;當(dāng)144m/s<壩前來(lái)流量<600m/s時(shí)，水庫(kù)仍維持在正常蓄水位26.46m運(yùn)行，大于水輪機(jī)引用流量部分的入庫(kù)流量，通過(guò)閘門(mén)下泄;當(dāng)來(lái)流量≥600m/s，所有來(lái)流量通過(guò)閘門(mén)下泄。

1.2項(xiàng)目存在的主要問(wèn)題

對(duì)于“夜游陸水河”項(xiàng)目航線(xiàn)規(guī)劃而言，存在的主要問(wèn)題如下。

（1）工程河段處于上游桂家畈樞紐和下游節(jié)堤樞紐之間，二者的調(diào)度方案對(duì)項(xiàng)目河段的水流條件影響很大;

（2）工程河段建有多座橋梁，尤其是東洲大橋一鐵路二橋河段，存在橋梁間距不足及河道內(nèi)礙航碎石、廢棄橋墩等問(wèn)題，導(dǎo)致該區(qū)域內(nèi)流態(tài)紊亂，對(duì)船舶操作要求較高;

（3）步行橋一武廣高鐵橋河段為兩個(gè)連續(xù)的反向彎道，彎曲半徑分別為950m和550m，彎曲角度均約為90°。彎曲河道上下游各個(gè)橋梁的通航孑L橋墩不能?chē)?yán)格對(duì)應(yīng)，影響了航路的走向，且多橋梁河段過(guò)大的彎道角度會(huì)使船舶航行視線(xiàn)受阻、給駕駛員帶來(lái)操作障礙。

2平面二維水流模型

一般而言，對(duì)于順直河道，平面二維水流模型模擬精度較高。對(duì)于彎曲河道，要考慮水流入灣因離心力造成的環(huán)流影響。但陸水河夜游項(xiàng)目河段上游建有桂家畈樞紐，樞紐運(yùn)營(yíng)了50余年，攔蓄了大部分泥沙，工程河段基本達(dá)到?jīng)_淤平衡;且工程河段河寬均大于300m，相對(duì)于河段平均4m的水深而言，彎道環(huán)流作用微弱。因此，該次平面二維水流模型的建立不考慮環(huán)流作用的影響。

從Reynolds方程出發(fā)，考慮到工程所在河段水平尺度遠(yuǎn)大于垂直尺度，水力參數(shù)在垂直方向的變化明顯小于水平方向的變化，可忽略垂向加速度，設(shè)定壓強(qiáng)服從靜水分布;不計(jì)垂直方向的流動(dòng)時(shí)間和空間的微分，將方程沿水深積分;根據(jù)Bousinesq假設(shè)，用渦粘系數(shù)表示Reynolds應(yīng)力項(xiàng)，可得到平面二維的河道水流運(yùn)動(dòng)控制方程如下。

在上述運(yùn)動(dòng)方程中，左端項(xiàng)是對(duì)流項(xiàng)，右端項(xiàng)包括壓力項(xiàng)、紊動(dòng)擴(kuò)散項(xiàng)和包含切應(yīng)力和科氏力在內(nèi)的外力項(xiàng)，考慮了河道水體的紊動(dòng)影響和底摩阻作用。

2.2網(wǎng)格劃分

模型計(jì)算選取2018年10月陸水河項(xiàng)目河段實(shí)測(cè)地形資料，選取了上下游共7km河段作為模型控制河段，模型進(jìn)口為桂家畈樞紐大壩電站廠(chǎng)房出水口，河面寬闊，水流穩(wěn)定，模型出口位于項(xiàng)目河段終點(diǎn)京港澳高速橋下游500m處，該處河段為一條近2 km的順直河段，基本可以忽略模型出口對(duì)工程河段的影響。

模型采用正三角形有限單元對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行離散，同時(shí)對(duì)項(xiàng)目河段橋墩、水泥墩、碎石等礙航物進(jìn)行局部加密，充分描述河道邊界和河道中水工建筑物的邊界，有效保證計(jì)算精度。

2.3模型驗(yàn)證

節(jié)堤樞紐建成后，進(jìn)行了常年回水區(qū)的水位觀(guān)測(cè)，觀(guān)測(cè)點(diǎn)均勻分布于河道兩岸，間距400-500m。為了驗(yàn)證模型的精度，該次數(shù)模搜集了節(jié)堤樞紐建成后項(xiàng)目河段平均流量（Q=93.8m/s）時(shí)的回水資料。考慮到項(xiàng)目河段位于下游節(jié)堤樞紐常年回水區(qū)內(nèi)，流速很小，故項(xiàng)目河段沒(méi)有設(shè)置測(cè)流斷面，該模型驗(yàn)證以水位為準(zhǔn)。模型驗(yàn)證情況如表2所示，整個(gè)項(xiàng)目河段模型驗(yàn)證誤差在0.02-0.04m內(nèi)，由此可見(jiàn)水位驗(yàn)證結(jié)果較好，基本達(dá)到模型精度要求。

3工程計(jì)算

3.1

計(jì)算工況

該次數(shù)模以桂家畈樞紐下游2.4km的蒲圻水文站1953—2012年的水位流量關(guān)系作為水文基礎(chǔ)資料，擬定了兩種工況來(lái)對(duì)項(xiàng)目河段水流進(jìn)行計(jì)算分析。工況1項(xiàng)目河段來(lái)流量達(dá)到多年平均流量，工況2項(xiàng)目河段來(lái)流量達(dá)到上游桂家畈樞紐最大發(fā)電流量。上述兩種情況時(shí)，下游節(jié)堤樞紐均處于正常蓄水狀態(tài)，項(xiàng)目河段位于節(jié)堤樞紐常年回水區(qū)內(nèi)，工況詳情見(jiàn)表3。

3.2工程概化

為了保證模型的穩(wěn)定性，同時(shí)兼顧沿程橋梁、廢棄水工建筑物等對(duì)水流條件的影響，在網(wǎng)格劃分方面對(duì)項(xiàng)目范圍內(nèi)的局部地形進(jìn)行了網(wǎng)格加密處理，并概化和修正了涉及影響通航的橋墩、水泥墩、碎石等。

3.3結(jié)果分析

3.3.1橫流分析

根據(jù)《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》要求，對(duì)于通航河段，航道范圍中橋梁上游3倍代表船型長(zhǎng)度內(nèi)，橫流不應(yīng)大于0.3m/s。上述2種工況下橫流計(jì)算統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表4。

由表4可知，項(xiàng)目河段處于多年平均流量時(shí)，每個(gè)橋梁橋區(qū)附近河段的橫流均滿(mǎn)足航行要求，而當(dāng)項(xiàng)目河段遭遇上游桂家畈樞紐最大發(fā)電流量時(shí)，東洲大橋附近最大橫流達(dá)到了0.32 m/s。結(jié)合流場(chǎng)圖整體來(lái)看，桂家畈樞紐正常發(fā)電時(shí)，項(xiàng)目河段航線(xiàn)范圍內(nèi)總體水流流態(tài)較好、流速適中，橫流大小基本滿(mǎn)足通航安全要求。

3.3.2通航凈空寬度分析

水流條件對(duì)橋梁通航凈空尺度影響主要體現(xiàn)在通航凈空、寬度方面。對(duì)于項(xiàng)目河段的9座橋梁及廢棄的橡膠壩和橋墩等礙航物，此次凈寬計(jì)算分析參照了上述二維數(shù)學(xué)模型計(jì)算成果，綜合考慮橋軸線(xiàn)布置與河道夾角大小、通航孔設(shè)置、橫流加寬以及橋墩周?chē)槭K航等因素，針對(duì)夜游航線(xiàn)實(shí)際畫(huà)舫船型嚴(yán)格按照《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定，計(jì)算了每個(gè)橋梁及礙航物的最小通航凈寬和實(shí)際通航凈寬，以保證畫(huà)舫船舶安全通航，具體情況見(jiàn)表5。

由表5可知，在桂家畈樞紐最大發(fā)電流量下，上述9座橋梁及2個(gè)河道內(nèi)的礙航物實(shí)際通航凈寬均能夠滿(mǎn)足畫(huà)舫船舶在該河段航行所需最小通航凈寬，可確保畫(huà)舫船舶的安全航行。

4工程合理性分析

（1）對(duì)橫流大小的分析。在桂家畈樞紐最大發(fā)電流量下，項(xiàng)目河段航線(xiàn)范圍內(nèi)總體水流流態(tài)較好、流速適中，橫流大小基本滿(mǎn)足通航安全要求，僅在東洲大橋處橫流略大于0.3m/s。在采取相應(yīng)的通航安全保障措施下，該河段的通航安全可以得到保障。

（2）對(duì)通航凈寬的分析。對(duì)于項(xiàng)目河段的橋梁和礙航物，在桂家畈樞紐最大發(fā)電流量下，通航凈寬均能夠滿(mǎn)足《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》中相關(guān)規(guī)定計(jì)算的最小凈空寬度要求。

（3）對(duì)通航時(shí)段的分析。據(jù)統(tǒng)計(jì)，桂家畈樞紐每年泄洪時(shí)間不到全年的10%，90%以上時(shí)間正常發(fā)電。綜合考慮航行安全、經(jīng)濟(jì)效益等因素，航線(xiàn)安全運(yùn)營(yíng)期擬定為每年桂家畈樞紐正常發(fā)電期。

（4）橋梁區(qū)彎曲河道對(duì)航路的影響。主要是視覺(jué)受限帶來(lái)的船舶操作困難，工程可以使用在水上設(shè)立助航標(biāo)、海事管制等方法來(lái)保障船舶航行安全。

5結(jié)語(yǔ)

赤壁市陸水河城區(qū)河段夜游項(xiàng)目航線(xiàn)經(jīng)過(guò)多座橋梁，水流條件較為復(fù)雜。本文有針對(duì)性地建立了項(xiàng)目河段平面二維水流數(shù)學(xué)模型，通過(guò)驗(yàn)證后模型能夠解決通航論證中沿程橋梁對(duì)畫(huà)舫船舶通航安全的影響性分析。結(jié)果表明，在上游桂家畈樞紐正常發(fā)電時(shí)，項(xiàng)目河段水流條件基本能夠保證畫(huà)舫船舶的安全航行，河段內(nèi)的9座橋梁凈寬尺度均能滿(mǎn)足《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》的相關(guān)規(guī)定，建議該夜游項(xiàng)目航線(xiàn)運(yùn)營(yíng)期擬定為每年桂家畈樞紐的正常發(fā)電期，同時(shí)認(rèn)真配布水上助航標(biāo)志，確保船舶的航行安全。