基于數(shù)值仿真的涉河橋墩阻水效應(yīng)研究

魏煒

涉河工程的建設(shè)，占用了河道的過(guò)水面積，導(dǎo)致水位壅高及水流流動(dòng)模式的改變，給河床、河岸的穩(wěn)定以及行洪帶了負(fù)面影響。文章以大新縣桃城農(nóng)場(chǎng)中橋?yàn)槔捎脭?shù)值仿真的方法模擬橋墩的阻水效應(yīng)，分析了工程建設(shè)前后壅水和流速的變化，為評(píng)估涉河橋墩阻水效應(yīng)提供參考。

數(shù)值仿真;阻水效應(yīng);橋梁;橋墩

U442.3+9A170604

0 引言

隨著我國(guó)“交通強(qiáng)國(guó)”戰(zhàn)略的實(shí)施，新一輪基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)熱潮正在掀起，涉河工程的建設(shè)也越來(lái)越多[1]。涉河工程的建設(shè)，勢(shì)必會(huì)占用河道的過(guò)水面積，產(chǎn)生阻水效應(yīng)，導(dǎo)致河道范圍內(nèi)水流的流動(dòng)模式改變、水位壅高等現(xiàn)象產(chǎn)生，進(jìn)而影響河床、河岸的穩(wěn)定[2]。目前對(duì)于河道阻水及流態(tài)分析大都采用經(jīng)驗(yàn)公式或者一維水力學(xué)模型來(lái)計(jì)算分析[3]，但這些方法往往會(huì)由于河道類(lèi)型不同而產(chǎn)生不同的結(jié)果。因此，本次研究探索采用仿真模擬的方法來(lái)計(jì)算涉河橋墩的阻水效應(yīng)影響，對(duì)橋墩阻水效應(yīng)的定性和定量分析具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 計(jì)算原理及方法

本次數(shù)值仿真計(jì)算的原理如下：（1）通過(guò)整合水平動(dòng)量方程和連續(xù)方程得到淺水方程，據(jù)此在河道深度上集成不可壓縮的雷諾Naviertokes方程;（2）通過(guò)采用單中心的有限體積法離散原始方程的空間，并將空間域由連續(xù)離散細(xì)分成非重疊的三角形非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格單元[4];（3）對(duì)流通量的計(jì)算采用Riemann金斯求解，可方便處理非連續(xù)的解決方案，時(shí)間積分采用顯式積分方法，詳細(xì)計(jì)算原理參考文獻(xiàn)[5]。

本次研究仿真采用的實(shí)驗(yàn)工具為MIKE 21FM軟件，它是DHK（Danish Hydraulic Institute，丹麥水力研究所）所研發(fā)，是專(zhuān)門(mén)用于模擬河流、湖泊、河口、海灣、海岸以及海洋的水流、波浪、泥沙及環(huán)境的工程軟件包[6]，在本研究中用于對(duì)涉河橋墩進(jìn)行阻水仿真模擬計(jì)算。

2 研究對(duì)象的基本情況

本次研究對(duì)象為崇左市大新縣縣城內(nèi)的桃城農(nóng)場(chǎng)中橋，橋址位于向水河上游河段，坐標(biāo)為東經(jīng)107°10′44″，北緯22°51′04″。

2.1 橋梁工程設(shè)計(jì)方案

桃城農(nóng)場(chǎng)中橋采用三跨預(yù)制小箱梁結(jié)構(gòu)，橋梁縱軸線(xiàn)與河道中線(xiàn)處于60°斜交。綜合地形因素，橋跨布置考慮為：3.5 m（橋臺(tái)）+20 m+40 m+20 m+3.5 m（橋臺(tái)）=87 m，單幅寬度為20 m，橋臺(tái)采用承臺(tái)加樁基礎(chǔ)。橋梁設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)按100年一遇洪水設(shè)計(jì)，相應(yīng)水位為H1%=251.61 m（建前），相應(yīng)流量為Q1%=860.7 m3/s。

2.2 河流水文情勢(shì)

桃城農(nóng)場(chǎng)中橋斜跨向水河。向水河又名利江，屬黑水河一級(jí)支流，干流長(zhǎng)89 km，集水面積為1 672 km2，平均坡降3.17‰，多年平均流量為29.1 m3/s。向水河寬度為30～60 m，河水深度約2～3 m，岸坡以粉質(zhì)黏土為主，河床以粗砂為主，河水水流常年偏緩慢，水流對(duì)河岸及河床沖刷影響較小。

2.2.1 河流洪水頻率

向水河上設(shè)有國(guó)家基本水文站——大新水文站。大新水文站于1958年設(shè)站，位于桃城農(nóng)場(chǎng)中橋橋址下游3.5 km處，集水面積為867 km2。根據(jù)大新水文站1959—2015年連續(xù)57年的實(shí)測(cè)洪水資料，加入1936年歷史洪水（重現(xiàn)期取79年），采用P-Ⅲ型曲線(xiàn)適線(xiàn)，分析計(jì)算得到大新水文站不同頻率的設(shè)計(jì)洪水，再根據(jù)水文比擬法[7]按面積比的2/3次方換算至桃城農(nóng)場(chǎng)中橋斷面洪水成果，如表1所示。

2.2.2 控制斷面洪水位

結(jié)合收集的實(shí)測(cè)資料以及計(jì)算范圍情況，本次研究選擇桃城農(nóng)場(chǎng)中橋橋址下游900 m處的河道斷面作為水位控制斷面。根據(jù)實(shí)測(cè)的大斷面資料，按恒定均勻流速進(jìn)行計(jì)算，采用曼寧公式計(jì)算控制斷面在不同水位情況下過(guò)水?dāng)嗝媪髁浚咚糠忠愿浇鼩v史洪痕點(diǎn)作為控制點(diǎn)，并參照曲線(xiàn)的趨勢(shì)延長(zhǎng)，最終得到控制斷面的水位與流量關(guān)系曲線(xiàn)成果，如表2和圖1所示。

3 阻水效應(yīng)數(shù)值仿真模擬

3.1 仿真計(jì)算方案及邊界條件

為了研究桃城農(nóng)場(chǎng)中橋橋墩對(duì)河道行洪產(chǎn)生的影響，本次研究擬定100年一遇洪水、20年一遇洪水、10年一遇洪水和5年一遇洪水四個(gè)頻率方案，對(duì)每個(gè)方案橋梁修建前后的洪水水位、流場(chǎng)進(jìn)行仿真模擬計(jì)算。河段水流仿真計(jì)算條件上邊界采用設(shè)計(jì)洪水流量，下邊界采用出口控制斷面洪水位。各方案的上下游邊界條件如表3所示。

根據(jù)桃城農(nóng)場(chǎng)中橋工程所處河段的特點(diǎn)，選擇仿真計(jì)算河道區(qū)域?yàn)闃蛑飞舷掠胃?00 m河段水域，共計(jì)1 800 m河道長(zhǎng)度，并建立對(duì)應(yīng)河段數(shù)字化地形圖（見(jiàn)下頁(yè)圖2）。為對(duì)比分析橋梁建設(shè)前后水位和流態(tài)的具體變化情況，在仿真計(jì)算水域布設(shè)一系列采樣點(diǎn)。本次研究從上至下沿河道布置了43個(gè)斷面，并在每個(gè)斷面的深泓線(xiàn)、兩岸線(xiàn)上分別布置了采樣點(diǎn)，采樣點(diǎn)布設(shè)情況如下頁(yè)圖3所示。

3.2 仿真結(jié)果分析

3.2.1 壅水仿真分析

利用Mike 21FM水動(dòng)力模型對(duì)各方案進(jìn)行仿真計(jì)算分析，并根據(jù)采樣點(diǎn)水位差值繪制不同頻率下縱向差值曲線(xiàn)圖，左岸線(xiàn)、中泓線(xiàn)、右岸線(xiàn)水位差值曲線(xiàn)圖如下頁(yè)圖4所示。

根據(jù)圖4分析可得，在100年一遇洪水情況下，橋梁建設(shè)后水位最大壅水量為0.093 m，在橋梁上游35 m左岸線(xiàn)處;在50年一遇洪水情況下，橋梁建設(shè)后水位最大壅水量為0.117 m，在橋址左岸線(xiàn)處;在20年一遇洪水情況下，橋梁建設(shè)后水位最大壅水量為0.116 m，在橋址左岸線(xiàn)處;在10年一遇洪水情況下，橋梁建設(shè)后水位最大壅水量為0.200 m，在橋址左岸線(xiàn)處。由此可見(jiàn)，橋梁工程的建設(shè)對(duì)大頻率洪水情況下壅水影響較大，說(shuō)明向水河屬于山谷型河流。所有的洪水頻率下，橋梁壅水的最大值都出現(xiàn)在左岸線(xiàn)上，說(shuō)明橋梁的建設(shè)對(duì)左岸線(xiàn)的阻水效應(yīng)更明顯。

對(duì)圖4進(jìn)行對(duì)比分析可知，10年一遇的洪水整體比其他頻率的洪水情況下阻水效應(yīng)大，洪水越大時(shí)，桃城農(nóng)場(chǎng)中橋的阻水效應(yīng)越小。桃城農(nóng)場(chǎng)中橋下游100 m后阻水效應(yīng)很小，幾乎不受橋梁工程建設(shè)的影響，但在上游900 m仿真范圍內(nèi)都受橋梁工程建設(shè)的影響。

3.2.2 流速仿真分析

根據(jù)采樣點(diǎn)流速差值繪制不同頻率下縱向流速差值曲線(xiàn)圖，河道左岸線(xiàn)、中泓線(xiàn)、右岸線(xiàn)流速差值曲線(xiàn)圖如圖5所示。

根據(jù)圖5分析可得，在100年一遇洪水情況下，橋梁建設(shè)后流速變化最大在橋址下游30 m右岸線(xiàn)處，減緩為0.13 m/s;在50年一遇洪水情況下，橋梁建設(shè)后流速變化最大在橋址中泓線(xiàn)處，減緩為0.21 m/s;在20年一遇洪水情況下，橋梁建設(shè)后流速變化最大在橋址右岸線(xiàn)處，減緩為0.24 m/s;在10年一遇洪水情況下，橋梁建設(shè)后流速變化最大在橋址中泓線(xiàn)處，減緩為0.19 m/s。對(duì)比仿真采樣結(jié)果可知，有三個(gè)方案的橋梁建設(shè)后流速變化最大量都發(fā)生在橋址斷面，說(shuō)明在橋址斷面水流流速變化復(fù)雜，但是整體是顯示減小的趨勢(shì)。

結(jié)合圖5分析可知，10年一遇的洪水整體比其他頻率的洪水情況下流速變化較大，減緩量也較大，這跟其壅水效應(yīng)相一致。洪水越大時(shí)，桃城農(nóng)場(chǎng)中橋的建設(shè)對(duì)流速變化影響就越小。桃城農(nóng)場(chǎng)中橋下游200 m后流速變化很小，幾乎不受橋梁工程建設(shè)的影響，但在上游900 m仿真范圍內(nèi)由于壅水抬升，橋梁建設(shè)后流速整體都放緩。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）對(duì)于山谷河流，洪水越大，橋梁建設(shè)對(duì)河道行洪壅水效應(yīng)越小，對(duì)流速變化的影響越小。

（2）橋梁工程建設(shè)后，橋梁上游區(qū)域會(huì)形成一定的壅水，河流流速會(huì)減緩，橋梁下游附近區(qū)域會(huì)降水，但由于橋梁阻水消能后也會(huì)導(dǎo)致水流流速減緩。

（3）本次研究對(duì)象桃城農(nóng)場(chǎng)中橋工程建設(shè)后，在防洪標(biāo)準(zhǔn)100年一遇洪水范圍之內(nèi)，最大壅水量為0.200 m，流速最大變化量為0.24 m/s，對(duì)河道的阻水效應(yīng)整體較小。

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