甬江感潮河流橋梁群對防洪納潮累積影響

褚曉岑，唐洪武，袁賽瑜，陳 珺

(河海大學水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，江蘇南京 210098)

甬江流域共建有7座過江橋梁，分布在姚江、奉化江和甬江等感潮河流上(圖1)，其中江廈橋、解放橋、新江橋、甬江大橋和外灘大橋等5座橋梁在河道內(nèi)設有橋墩。橋墩會引起附近水域河床阻力、水流流態(tài)、流速分布及過流能力等發(fā)生變化，并對河勢穩(wěn)定和防洪納潮安全帶來一定影響，特別在水位、流速隨時間周期性變化的感潮河段，水動力條件更為復雜。

趙淳逸［1］以甬江大橋為例，分析了橋墩對潮流場的影響。潘仁友［2］分析了驚駕橋?qū)θ诤拥懒魉?、水位、納潮量的影響。Li等［3-5］針對單個橋墩對水流的影響進行了數(shù)值模擬研究。除了單座橋梁的影響，橋梁群對河道水流的累積影響也越來越受到關注。李振青等［6］研究了長江下游世業(yè)洲汊道段岸線上所有橋梁碼頭等涉水建筑物對該河段防洪的累積影響，發(fā)現(xiàn)涉河工程群在長江洪水時會引起整個河段水位明顯抬高。張細兵等［7］選取武漢河段和揚中河段作為代表性河段，分析了橋梁群和碼頭群兩類主要涉河工程群對河道洪水水位及流場的累積影響，結果表明，當群體工程的影響積累到一定程度，會造成整個河道水位普遍壅高、主流線擺動及汊道分流比變化，從而可能對河道的行洪與河勢穩(wěn)定帶來不利影響。英曉明等［8-13］建立了感潮河流的數(shù)學模型以研究感潮河流的水流特征。目前對于橋梁群累積影響的研究多為定性分析，且水流條件相對簡單;而感潮河流水位和流速隨時間周期性變化，加上橋梁群阻水影響，水流條件非常復雜。本文采用二維非恒定流數(shù)學模型研究甬江感潮河流橋梁群對河道防洪納潮的累積影響。

1 模型建立

1.1 基本控制方程

本文使用Delft3D模型的Flow水動力模塊進行三江口的水流計算。Delft3D模型具有計算穩(wěn)定、精度高等特點，其水動力模型可用于模擬二維或三維非恒定流，其控制方程組成如下。

a.水流運動連續(xù)性方程:

b.曲線網(wǎng)格坐標系下ξ、η方向動量方程:

ξ方向(水平方向)

η方向(垂直方向)

1.2 網(wǎng)格布置和參數(shù)率定

模型采用交替方向隱式差分格式對方程進行離散求解，計算范圍從上游姚江的姚江大閘(邊界1)和奉化江的澄浪堰(邊界2)開始，一直到甬江入?？?邊界3)，全長約32 km(圖1)。采用非均勻正交曲線網(wǎng)格坐標系統(tǒng)，根據(jù)研究區(qū)域的重要程度以及局部水流復雜情況確定網(wǎng)格剖分精度?？v向網(wǎng)格寬度為15～70m，網(wǎng)格節(jié)點數(shù)為732個;橫向網(wǎng)格寬度為15～60 m，網(wǎng)格節(jié)點數(shù)為132個。在岸線劇烈變化處邊界附近模型網(wǎng)格正交性稍差，其他區(qū)域網(wǎng)格節(jié)點基本保持正交，正交偏差±3°。橋墩分為兩類:(a)主橋墩，由于尺寸較大，與計算網(wǎng)格尺度相當，因此直接將橋墩所在的網(wǎng)格節(jié)點作不過水處理;(b)其他橋墩，采取修改地形和糙率的方法進行概化［14-15］。灘槽采用不同糙率反映其不同的床面阻力，河槽糙率取n=0.018～0.020，灘地糙率取n=0.03～0.05［16］，時間步長取為6 s。

圖1 三江口橋梁群分布Fig.1 Distribution of bridges in Sanjiang Estuary

2 模型驗證

2.1 實測資料

地形資料采用寧波水文站2010年的實測數(shù)據(jù)。開邊界條件采用2010年7月12日12:00至13日15:00和2010年7月20日12:00至21日15:00歷時27 h的整點實測大、小潮潮位和流速資料。入口邊界條件采用姚江和奉化江實時潮位，出口邊界條件采用甬江實時流量。對2010年7月12日和20日2次實測的大、小潮水流進行二維非恒定流數(shù)學模型計算，使用三江口、鎮(zhèn)海水利局處水尺得到的實時潮位以及斷面DM1、DM2的流速及流向?qū)崟r數(shù)據(jù)對該模型進行驗證。

2.2 潮位驗證

三江口水文站、鎮(zhèn)海水利局站實時潮位驗證結果如圖2所示。潮位基面為85基面。驗證結果表明:計算潮位的相位和潮位值與實測潮位吻合良好，相位誤差小于0.25 h，水位值誤差小于0.15 m。

圖2 潮位站潮位驗證Fig.2 Verification of tide levels at tidal stations

2.3 流速流向驗證

斷面DM1、DM2的水流流速和流向驗證結果如圖3、圖4所示。圖中，二維非恒定流數(shù)學模型較好地復演了流域范圍內(nèi)的潮流運動過程，模型計算所得的流速、流向和相位與實測值基本吻合。可見，本文所建二維非恒定流數(shù)學模型能較好地模擬感潮河流的非恒定流水流運動情況，可以用來預測橋梁群對感潮河流水流的累積影響。

圖3 流速驗證Fig.3 Verification of flow velocities

3 模型計算及結果分析

3.1 模擬方案

使用驗證后的甬江二維非恒定流數(shù)學模型使計算不同洪潮組合條件下不同橋梁組合對甬江水流的影響。潮洪工況如下:工況1，5 a洪水流量+100 a潮位;工況2，100 a洪水流量+5 a潮位。邊界條件見圖5，姚江和奉化江選用潮位邊界，甬江選用流量邊界。3種橋梁組合分別為:方案1，單座橋梁影響，選取甬江大橋;方案2，2座橋梁影響，選取甬江大橋和外灘大橋;方案3，橋梁群影響，選取5座涉水橋梁共同作用的情況。

圖4 流向驗證Fig.4 Verification of flow directions

圖5 2種工況下的邊界條件Fig.5 Boundary conditions under two hydrological conditions

表1為5座涉水橋梁的橋墩情況，表中阻水面積比由百年一遇洪水條件下得到。甬江大橋、外灘大橋、新江橋便橋因橋墩尺寸較大，橋墩所在的網(wǎng)格節(jié)點作不過水處理;解放橋和江廈橋由于橋墩尺寸很小，采取修改地形和加大糙率進行概化。

表1 橋墩尺寸統(tǒng)計Table 1 Dimensions of bridge piers

3.2 流速變化

橋墩對流場的影響一般在潮位漲急和落急時最為明顯，本文選取漲急和落急時刻的流速分別進行比較，并以工況1為例。為體現(xiàn)橋梁群對水流的累積影響，選取甬江大橋上游100 m處DM3和下游100 m處DM4進行平均流速比較，見表2，表中流速變化相比于無橋梁情況增加為正，減小為負。圖6為工況1不同橋梁組合下漲急和落急的等流速線圖。

3.2.1 單橋影響

如圖6所示，單座橋(甬江大橋)主要影響在橋位近區(qū)，橋墩的阻水作用造成局部水流改變。工況1，漲急時上游流速增大，下游流速略有減小;落急時上游流速略有減小，下游流速增大，距離大橋越近所受影響越明顯。橋墩對上下游一定范圍內(nèi)的水流都有影響。漲急時上游受影響的范圍約為1 km，下游受影響的范圍較小，約為0.4 km;落急時上游受影響的范圍約為0.5 km，下游約為0.8 km。由于大尺寸橋墩有束窄河道的作用，甬江大橋橋墩偏向右岸，過水面積變小且水流偏于左側。由于橋墩阻水，橋墩右側形成馬蹄狀水流;橋墩后方流速減小，且水流狀態(tài)比較復雜。

圖6 工況1漲急、落急時刻流速對比Fig.6 Comparison of flow velocities during flood and ebb tides in case 1

表2 流速變化統(tǒng)計Table 2 Velocity variations of all cases

3.2.2 兩橋影響

對比兩橋與單橋的計算結果發(fā)現(xiàn)，由于甬江大橋和外灘大橋的累加影響，導致不管是漲急還是落急，位于兩橋同一側的DM3流速變化幅度都比單橋的要大。而甬江大橋和外灘大橋?qū)蓸蛑虚g區(qū)域水流的影響是相反的。在甬江大橋的影響下，外灘大橋的存在增大了漲急時DM4的流速，甚至使該斷面流速較無橋時都有所增加，同時減小了落急時DM4的流速。兩座橋的影響區(qū)域較一座橋時有所增大，漲急時影響區(qū)域延伸到甬江大橋上游約2 km，外灘大橋下游約0.5 km;落急時延伸到甬江大橋上游約0.8 km，外灘大橋下游約1.5 km。由此可知，兩橋?qū)λ鞯睦鄯e影響與單橋影響相比有明顯增加，甚至改變了單橋時流速的變化趨勢。外灘大橋橋墩偏向左岸，與單橋影響類似，過水面積變小且水流偏于右側。

3.2.3 多橋影響

與單橋和兩橋相比，由于新江橋和江廈橋位于DM3的上游，對該斷面流速的影響與下游兩座大橋的影響相反，削弱了方案1及方案1對于該斷面流速的影響程度。而在DM4則加強了甬江大橋?qū)υ撎幜魉俚挠绊懀魅趿送鉃┐髽虻挠绊?。多座橋梁疊加產(chǎn)生的影響范圍遠遠大于單橋和兩橋，漲急時影響范圍上游延伸到奉化江邊界處，下游延伸到外灘大橋下游約5 km處;落急時延伸到甬江大橋上游約1.5 km處，外灘大橋下游約8 km處。由于新江橋和解放橋的影響，漲急時，姚江的流速大幅降低，奉化江和甬江流速有所增大;落急時，姚江和甬江流速有所減小，奉化江流速變化不明顯。

3.2.4 潮洪影響

大潮小洪，漲急時影響范圍上游延伸到奉化江邊界處，下游延伸到外灘大橋下游約5 km處;落急時到甬江大橋上游約1.5 km處，外灘大橋下游約8 km處。大洪小潮，漲急時影響范圍上游延伸到奉化江澄浪堰處，外灘大橋下游約4 km處;落急時到甬江大橋上游約1 km，外灘大橋下游約5 km?？梢?，大潮小洪時的影響范圍大于大洪小潮。漲急時，大潮小洪時的流速明顯大于大洪小潮;落急時，2種工況的計算結果差異不明顯?？偟膩碚f，橋梁群對大潮小洪情況下流速影響要大于大洪小潮情況。

3.3 水位壅高

分析橋梁群對水位的影響，選取水位最大值時刻繪制各方案的水位等勢線，見圖7和圖8。工況1，單座橋梁影響下漲潮時甬江大橋上游水位降低，下游壅高:DM3處水位降低1%，DM4處水位壅高0.1%。落潮時水位變化與漲潮時相反，水位壅高影響范圍約為甬江大橋上游4 km至下游5 km。兩橋影響下，甬江大橋上下游水位均有所提高，DM3處水位提高約0.05%，DM4處水位提高0.5%，影響范圍則為甬江大橋上游約8 km處至外灘大橋下游約6 km。這是由于外灘大橋和甬江大橋疊加影響，導致外灘大橋上游水位壅高比較明顯。多橋影響下，DM3處水位壅高1.2%，DM4處水位壅高1.1%，明顯大于單橋和兩橋的影響。影響范圍延伸至二維非恒定流數(shù)學模型上游邊界處，下游達外灘大橋下游約15 km。可見，橋梁數(shù)越多，水位壅高越明顯，影響范圍越大。對比不同水文條件下橋梁群計算結果發(fā)現(xiàn)，與流速變化情況類似，橋梁群在大潮小洪情況下水位變化較為明顯。

圖7 工況1無橋梁及3種橋梁組合的水位等勢線Fig.7 Comparison of water levels without bridge and with combination of three bridges in case 1

圖8 工況2無橋梁及3種橋梁組合的水位等勢線Fig.8 Comparison of water levels without bridge and with combination of three bridges in case 2

4 結 論

感潮河流甬江上建有多座過江橋梁，對甬江水流形態(tài)和行洪納潮能力產(chǎn)生一定的影響。本文使用Delft3D建立了甬江平面二維非恒定流數(shù)學模型，開展了典型洪水和潮汐條件下橋梁群對甬江水流流速和水位的影響研究。結果表明:單個橋梁對水流的影響主要在橋位近區(qū);兩橋?qū)ν趦蓸蛏嫌位蛳掠螀^(qū)域的水流產(chǎn)生累加效應，而對兩橋之間區(qū)域水流的影響有相互削弱的作用;橋梁群因影響范圍的重疊而產(chǎn)生累積影響，且增加了對水流的影響范圍。橋梁群的存在也將改變河道的水流形態(tài)，對流場產(chǎn)生一定的影響。通過對不同潮洪條件下水流的比較發(fā)現(xiàn)，在大潮小洪條件下橋梁群對甬江流域水流的影響較大洪小潮條件下更為明顯。橋梁群的影響并不是單個橋梁影響的簡單疊加，涉水工程在評估時需要考慮河段內(nèi)其他工程和水流條件，盡量減少工程群的累積影響。

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