文物橋原址保護對區(qū)域引排河道的影響研究

程 實，李 昱，張 旭，陳 浩

(江蘇省太湖水利規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，江蘇 蘇州 215100)

太湖流域經(jīng)濟發(fā)達，水系分布廣泛，為溝通兩岸經(jīng)濟交流，自古以來修建眾多跨河橋梁。隨著區(qū)域經(jīng)濟的發(fā)展和水文條件的變化，現(xiàn)有的河道規(guī)模不能滿足區(qū)域防洪排澇的要求，需對老河道進行拓浚，原有跨河橋梁應進行拆建。

部分跨河橋梁歷史悠久，具有重要的意義及價值，不具備遷移安置的條件，根據(jù)文物保護單位的要求，需進行原址保護。考慮到單側(cè)橋墩的保護會大面積侵占河道過水斷面，河道線型較為彎曲，水流較為紊亂，影響河道引排能力，需對文物橋梁的橋墩基座布置進行數(shù)值模擬分析。

文章以老桃花港河道整治工程的文物橋梁為例，采用數(shù)值模擬方法，計算了不同橋墩基座布置下各引排工況的水流結(jié)構(gòu)，并進行對比分析，選取最經(jīng)濟合理的文物保護措施。

1 工程概況

老桃花港位于武澄錫虞區(qū)低片，是區(qū)域重要的通江河道，自長江沿常州新北區(qū)和江陰市邊界向南至李大河，本次工程為長江至S122省道段，全長6.87km。老桃花港主要承擔地區(qū)洪澇水北排長江，干旱年份引長江水補充區(qū)域水資源的任務(wù)，減輕區(qū)域防洪除澇壓力和提高水資源配置能力，同時增強河道引排能力，促進區(qū)域水環(huán)境質(zhì)量的改善。工程主要建設(shè)內(nèi)容有河道拓浚、護岸工程、堤防工程、橋梁工程等，其中拆建橋梁4座，新建橋梁1座，原址保護橋梁1座(新橋)。

新橋文物橋始建于明崇禎年間，為單孔石拱橋，橋身用青石條石砌筑，凈跨為8.3m，橋面寬3.8m，1992年被列為江陰市文物保護單位，經(jīng)過多次與文保單位對接，考慮到該座橋梁的特殊性，需進行原址保護。

根據(jù)河道前期規(guī)劃選址的批復，新橋區(qū)段平面布置如圖1所示。新橋右岸維持現(xiàn)狀河線，新建護岸與現(xiàn)狀橋墩銜接；左岸進行拓浚，左岸橋墩處采用灌注樁擋墻與現(xiàn)狀擋墻形成基座。橋墩基座位于河道中央，需進行數(shù)值模擬計算，優(yōu)化基座的型式與布置。綜合考慮到護岸建設(shè)的成本以及水流結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，本工程初步推薦采用半圓形或紡錘形基座。

圖1 新橋平面示意圖(單位：m)

2 數(shù)值模擬

2.1 數(shù)學模型基本控制方程

連續(xù)方程：

(1)

動量方程：

(2)

2.2 數(shù)值求解方法

采用有限體積法對數(shù)學模型控制方程進行離散，速度壓力耦合矯正采用SIMPLEC方法，動量方程采用二階迎風離散格式，所有參量的殘差控制標準取為1.0×10-5。

2.3 計算區(qū)域、邊界條件和網(wǎng)格劃分

所建立的模型進口處為入流邊界，對不同的計算工況，根據(jù)流量和水位條件，給定入口過水斷面的流速或流量；模型出口為水流出流邊界，根據(jù)計算工況的不同給定不同的壓力邊界條件。

采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分計算區(qū)域，為了提高計算的精確性，對關(guān)鍵區(qū)域的網(wǎng)格進行細化。

2.4 計算工況

各工況斷面平均流速計算結(jié)果見表1。

由表1可知，引水工況下水位較淺，斷面平均流速更大，根據(jù)工程經(jīng)驗，該工況流態(tài)更為紊亂，文章擬對引水工況下水流結(jié)構(gòu)進行對比分析。

表1 各工況斷面平均流速計算表

3 不同橋墩基座形狀對比分析

3.1 水流結(jié)構(gòu)

根據(jù)老桃花港水利規(guī)劃河口線、水下地形，以及最大引水流量對應的水位建模分析，計算流速矢量圖如圖，2、圖3所示。

圖2 半圓形基座引水時流速矢量圖(單位：m/s)

圖3 紡錘形基座引水時流速矢量圖(單位：m/s)

由上圖可以看出，采用半圓形基座時，水流擴散不均勻，主流偏向單側(cè)河岸，橋墩基座后方形成大范圍回流區(qū)，最大流速達到0.94m/s；采用紡錘形橋墩基座時，橋墩基座相當于導流墩，主流經(jīng)過束窄斷面后擴散較為均勻，最大流速約為0.83m/s，橋梁基座后方無明顯回流區(qū)，水流流態(tài)明顯改善。

3.2 工程造價

橋墩基座主要采用直立式灌注樁護岸，成本較高，根據(jù)工程造價計算，延米造價約為3萬元。采用半圓形基座時，護岸長度為21m；采用紡錘形基座時，護岸長度為42m，工程造價顯著增加。

綜合考慮水流結(jié)構(gòu)及工程造價的因素，擬采用紡錘形橋墩基座，并對其結(jié)構(gòu)進一步優(yōu)化，減小工程造價。

4 紡錘形橋墩基座結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

4.1 基座結(jié)構(gòu)分析

橋墩基座結(jié)構(gòu)主要可以拆解為上下游兩部分，如圖4所示。根據(jù)經(jīng)驗判斷可知，主要對水流結(jié)構(gòu)及工程造價產(chǎn)生影響的是基座上下游銜接坡比，坡比越緩，水流結(jié)構(gòu)越順暢，水流調(diào)整效果越好，但相應造價越高。

圖4 橋墩基座結(jié)構(gòu)示意圖

文章采取不同的上下游銜接坡比1∶m1，1∶m2，分析對比采用不同的上下游銜接坡比時水流結(jié)構(gòu)的變化情況，從而選擇合適的橋墩基座結(jié)構(gòu)，既能節(jié)約工程投資，又能優(yōu)化水流結(jié)構(gòu)，保證河道的功能發(fā)揮。

計算坡比見表2。

表2 計算方案匯總表

4.2 計算結(jié)果分析

各工況計算結(jié)果如圖5～圖8所示。

圖5 方案1流速矢量圖(單位：m/s)

圖6 方案2流速矢量圖(單位：m/s)

圖7 方案3流速矢量圖(單位：m/s)

圖8 方案4流速矢量圖(單位：m/s)

由計算結(jié)果可知，當上游銜接坡比放緩時，河道水流結(jié)構(gòu)有明顯改善，且主流偏向于主河拓浚側(cè)，最大流速也較小，如圖5與圖8所示。這是因為上游銜接坡比放緩，橋墩基座相當于主河中的導流墩，受主河河線及導流墩的作用，主流偏轉(zhuǎn)較為順暢，能有效減小文物橋梁下方原河槽沖刷，保護文物橋梁的穩(wěn)定性。

當下游接線坡比放緩時，河道最大流速減小，但是差別不大，且水流流態(tài)改善有限，這主要是下游接線受現(xiàn)狀擋墻線型限制，可調(diào)整余地較小，導流效果不佳。

綜合考慮節(jié)約工程造價以及優(yōu)化水流結(jié)構(gòu)，工程擬采用上游銜接坡比為1∶2，下游銜接坡比為1∶0.75。

5 結(jié)語

(1)文物橋原址保護會對河道引排能力產(chǎn)生較大影響，需對其進行數(shù)值模擬計算以優(yōu)化水流結(jié)構(gòu)。

(2)計算表明，文物橋梁基座采用紡錘形橋墩基座對水流結(jié)構(gòu)優(yōu)化更有利。

(3)基于節(jié)約工程造價以及最大程度優(yōu)化流態(tài)考慮，建議對橋梁基座的布置進行對比分析。