平原河道橋墩群阻水壅高試驗研究

薛萬云， 趙 勇， 俞 雷， 吳修鋒， 郭 寧， 吳時強

(1.南京水利科學(xué)研究院水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點實驗室, 江蘇 南京 210029；2.江蘇省水利廳, 江蘇 南京 210029)

跨河橋梁為經(jīng)濟社會的快速發(fā)展起到了積極的作用，但同時對河道其它功能的發(fā)揮也產(chǎn)生一些約束作用。最為典型的問題之一是多座橋梁集中布置在一段行洪河道上，雖然單座橋梁的橋墩所占過水面積不大，但河道上橋梁間距很近時，橋墩在河道中將以橋墩群的形式存在并產(chǎn)生阻水疊加效應(yīng)，對水流的流動方向、流場結(jié)構(gòu)等造成新的影響[1-3]，導(dǎo)致河道水位壅高，影響河道行洪能力，同時引起局部區(qū)域流速增大，沖刷橋墩基礎(chǔ)，危害橋梁安全。為此，減弱或消除橋群引起的阻水疊加效應(yīng)對行洪河道的泄洪安全至關(guān)重要，需對行洪河道橋梁群阻水疊加效應(yīng)進行深入研究。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者采用物理模型試驗、數(shù)值計算及理論分析等方法對單座橋梁及橋群附近的壅水進行了大量研究。Hong等[4-5]采用模型試驗方法對橋墩附近的水流結(jié)構(gòu)及沖刷機理進行了分析；Chrisohoides等[6-8]通過模型試驗和理論分析方法對橋墩周圍復(fù)雜的三維流場結(jié)構(gòu)及沖刷進行了分析研究，并基于試驗結(jié)果提出了相應(yīng)的防護措施；謝鳴曉等[9]基于數(shù)學(xué)模型分析研究了緩流河道中單排橋墩影響下的水位和流場變化，并分析了不同墩形對水流的影響差異，發(fā)現(xiàn)樁墩引起的水流變化沿縱、橫向呈現(xiàn)出不同的分布規(guī)律，沿橫向呈波狀分布，且方墩對水流變化的影響比圓墩大；Gamal等[10]采用三維數(shù)學(xué)模型方法研究了2個橋墩(群)對水流結(jié)構(gòu)、墩周圍沖刷的影響，發(fā)現(xiàn)橋墩周圍最大沖深與弗雷德數(shù)、墩間距和墩徑有關(guān)，并擬合經(jīng)驗公式表述上述參數(shù)關(guān)系。

綜上所述，關(guān)于單個涉水橋梁對河道水流、行洪等方面的影響，多采用物理模型試驗、數(shù)值模擬及理論分析等方法進行研究，并取得了豐碩成果。但對于橋群的阻水影響，受限于試驗條件及精度的影響，往往只能采用數(shù)值模擬及理論分析方法，這對于認識橋群阻水物理現(xiàn)象的本質(zhì)有一定的限制。因此，本文基于便于觀測的玻璃水槽及高精度測量工具建立河道水槽橋群物理模型，對橋群阻水影響進行深入分析，以期深入探究橋群阻水引起的河道水位變化規(guī)律，為涉水橋梁建設(shè)提供參考。

1 參考對象

考慮水槽尺寸及模型比尺引起的縮尺效應(yīng)影響，選擇南京秦淮新河及涉河橋梁(高速鐵路橋)為水槽模型參考原型。秦淮新河全長16.88 km，河底高程為-1.9～0.1 m，其沿線布置橋梁10多座，其中高速鐵路橋并排布置4座，橋梁最小間距不足50 m(4座高速鐵路橋并列布置)。秦淮新河河道相對較窄，最窄處河寬為70 m，涉河橋墩多為2排，位于河道近岸側(cè)，橋墩形狀主要為矩形橢圓橋墩，其次是圓形橋墩。橋墩尺寸為2.5～10 m，單座橋梁阻水率約為4%～6%，另外秦淮新河設(shè)計排洪量為800 m3/s。

2 橋梁群概化物理模型

2.1 模型試驗參考比尺

為了定量研究橋梁群阻水引起的壅水規(guī)律，同時避免試驗結(jié)果偏離天然河道橋梁阻水特性，需要合理設(shè)定模型試驗參數(shù)。根據(jù)已有研究結(jié)果，平原河道橋梁引起的壅水高度一般為5～20 cm。為了在模型中精確測量壅水高度，需綜合考慮模型尺寸、測量設(shè)備精度及原型河道秦淮新河的尺寸、流量等特征。

參考秦淮新河橋梁阻水率、河道特征、橋墩尺寸及壅水高度等，并結(jié)合現(xiàn)場調(diào)研結(jié)果及試驗水槽尺寸，按照1∶100的參考比尺選擇橋墩尺寸及布置方式，即試驗水槽水深0.1 m對應(yīng)原型河道水深10 m，水槽流量10 m3/s對應(yīng)原型河道1 000 m3/s，水槽流速0.25 m/s對應(yīng)原型河道流速2.5 m/s，同時橋墩阻水率控制在7%以內(nèi)。因此概化后的原型河道特征流量為1 000 m3/s，流速為2.5 m/s，阻水率控制在7%以內(nèi)。

2.2 試驗水槽及測量

玻璃水槽測量區(qū)長8 m，寬0.4 m，坡降0.4‰。從測量區(qū)0點開始沿水流方向布置橋梁(橋梁起始位置為坐標0點)，每隔0.5 m布置1組橋梁，每組橋梁包含3排或4排橋墩，每排為2個圓形橋墩，墩徑D=6 mm。

在橋群前測量區(qū)布置7個水位監(jiān)測點(H1—H7)，監(jiān)測橋梁建設(shè)前后的水位變化，分析橋梁群對河道水位產(chǎn)生的阻水影響，水位采用精度為0.01 cm水位測針測量。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 試驗工況

通過控制阻水率和流速組合成不同的典型工況(表1)，其中通過增設(shè)橋墩改變阻水率。設(shè)置2組流量，分別為10 m3/s和11.5 m3/s。水位通過尾門調(diào)節(jié)，坐標原點處水深控制在10 cm。橋墩采用直徑D=6 mm的圓柱塑料棒模擬。分別對3種工況條件下的無橋、單橋、兩橋、三橋、四橋、五橋及六橋組成的橋群水位變化影響進行試驗分析。

表1 水槽試驗工況

工況1、工況2阻水率為4.5%，每組橋墩包含3列橋墩，水流方向橋墩間距20 mm，垂向間距100 mm；工況3阻水率為6.0%，每組橋墩包含4列橋墩。

3.2 壅水特征分析

以水流流向、橫向、垂向為x、y、z軸，坐標原點分別位于第一座橋梁底部。沿流向依次布置橋梁，形成橋群，分析橋梁布置過程中的壅水水位特性變化。

分別對各工況條件下的無橋、單橋、兩橋、三橋、四橋、五橋及六橋群時的河道中心線水位變化進行測量分析，表2、表3、表4給出了不同工況河道中心線水位壅高值Δh，圖1、圖2、圖3分別為河道中心線橋梁群前水位變化曲線。綜合分析上述圖表，可以看出，上游水流受橋墩阻水影響，水位壅高較為明顯，壅水高度隨橋墩數(shù)量的增加而增大，壅高范圍隨著橋梁數(shù)量的增多而延長。

圖3 工況3洪水條件河道中心線橋前水位變化

表4 工況3 洪水條件橋梁群前中心線水位壅高值 單位：m

圖2 工況2洪水條件河道中心線橋前水位變化

表2 工況1洪水條件橋梁群前中心線水位壅高值 單位：m

表3 工況2洪水條件橋梁群前中心線水位壅高值 單位：m

圖1 工況1洪水條件河道中心線橋前水位變化

對于概化河道(其特征參數(shù)為流量1 000 m3/s、流速2.5 m/s、阻水率6%)，中心線最大壅水高度36 cm，壅水范圍150 m。6座橋梁組成的橋梁群引起的壅高值為單座橋梁壅高值的1.5倍(橋梁群上游150 m位置處)。

4 結(jié) 論

采用實驗室試驗對明渠河道中橋梁群條件下的水流運動分別進行了研究。分析橋梁群前水位變化，得到以下主要結(jié)論：上游水流受橋墩阻水影響，水位壅高較為明顯，壅水高度隨橋墩數(shù)量的增加而增大，壅高范圍隨著橋墩數(shù)量的增多而延長；對于概化河道(流量1 000 m3/s、流速2.5 m/s、阻水率6%)，河道中心線最大壅水高度為36 cm，壅水范圍150 m；6座橋梁組成的橋梁群引起的壅高值為單座橋梁壅高值的1.5倍(橋梁群上游150 m位置處)。