潮間帶地區(qū)跨海大橋設(shè)計(jì)流速計(jì)算分析

翟劍峰，東培華，熊 偉，董 佳

(1.江蘇省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司，江蘇 南京 210005；2.江蘇省水運(yùn)工程技術(shù)研究中心，江蘇 南京 211100）

潮間帶地區(qū)跨海大橋設(shè)計(jì)流速計(jì)算分析

翟劍峰1，2，東培華1，2，熊 偉1，2，董 佳1，2

(1.江蘇省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司，江蘇 南京 210005；2.江蘇省水運(yùn)工程技術(shù)研究中心，江蘇 南京 211100）

在大橋設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)流速是一項(xiàng)重要參數(shù)，其預(yù)測的準(zhǔn)確性事關(guān)橋梁的安全施工和安全運(yùn)行。通常采用實(shí)測資料分析推求或數(shù)學(xué)模型計(jì)算兩種預(yù)測方法。為確?？绾４髽蚴┕ず瓦\(yùn)行的安全性，需要對設(shè)計(jì)流速進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測。利用數(shù)學(xué)模型預(yù)測工程區(qū)域可能最大流速是一種有效的方法。應(yīng)用基于有限體積法的二維淺水方程和干濕邊界處理技術(shù)，建立了工程海區(qū)的潮流數(shù)學(xué)模型，并結(jié)合實(shí)測資料進(jìn)行驗(yàn)證。在此基礎(chǔ)上，考慮了有無風(fēng)浪作用的不同工況組合，計(jì)算分析得到潮間帶地區(qū)大橋工程位置在不同重現(xiàn)期的設(shè)計(jì)流速，為橋梁設(shè)計(jì)和相關(guān)物理模型試驗(yàn)研究提供重要參數(shù)。計(jì)算分析結(jié)果表明，風(fēng)浪對潮間帶地區(qū)的流場影響較大，橋梁設(shè)計(jì)流速計(jì)算時(shí)應(yīng)充分考慮這一關(guān)鍵因素，以此保證橋梁施工和運(yùn)行安全。

跨海大橋；潮間帶；干濕邊界；重現(xiàn)期；數(shù)值模擬；風(fēng)浪作用

連云港市海濱大道建設(shè)沿著連云港市東海岸線貫穿南北，北起贛榆繡針河，南至灌云縣灌河口，全長約120 km。連云港跨海大橋起于高公島漁港，終于燒香河新閘，是連云港市海濱大道的一個(gè)重要組成部分，成為連接海灣南北的重要通道。

設(shè)計(jì)流速是橋梁設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)重要參數(shù)，其預(yù)測的準(zhǔn)確性關(guān)系到橋梁施工和運(yùn)行的安全性。設(shè)計(jì)流速一般有如下兩種預(yù)測方法：一是根據(jù)實(shí)測資料，利用相關(guān)法推求［1-2］；二是利用數(shù)學(xué)模型來計(jì)算［3］。由于工程位置的水深較小，附近實(shí)測潮位流速資料很少，因此，很難利用實(shí)測資料建立相關(guān)關(guān)系式來推求設(shè)計(jì)流速。許雪峰等［4］根據(jù)杭州灣灘涂上的實(shí)測潮流資料分析后指出，漫灘流的流速明顯小于前沿深水區(qū)域，且漫灘區(qū)潮流漫灘過程(漲潮）和露灘過程(落潮）的時(shí)間并不對稱。而本大橋工程位于近岸潮灘地區(qū)，在一個(gè)完整潮的周期中，大部分區(qū)域處于淹沒和干出交替變化狀態(tài)，且風(fēng)吹流、風(fēng)增水等現(xiàn)象比較明顯，波浪輻射應(yīng)力對流場也有著關(guān)鍵影響［5］。綜合以上因素，本工程設(shè)計(jì)流速采用數(shù)學(xué)模型的方法來進(jìn)行計(jì)算。從考慮有無風(fēng)浪的角度出發(fā)，分別計(jì)算大橋工程位置在不同重現(xiàn)期的最大流速值。

1 數(shù)學(xué)模型及計(jì)算方法

1.1 基本方程

MIKE 21為海岸和近海工程應(yīng)用提供了完備有效的設(shè)計(jì)環(huán)境，已被廣泛應(yīng)用于河口、海岸及海洋水流、波浪、泥沙等方面的模擬。本次工程所在區(qū)域潮流場的計(jì)算采用MIKE21中的HD模塊［6-7］。模型基于二維平面不可壓縮雷諾(Reynolds）平均Navier-Stokes淺水方程建立，對水平動量方程和連續(xù)性方程在h=η+d范圍內(nèi)進(jìn)行積分后可得到下列二維深度平均淺水方程：

1.2 設(shè)計(jì)流速計(jì)算方法

潮差是表示潮汐動力強(qiáng)弱的因素，也是天文潮、風(fēng)暴潮等多種動力因子綜合作用的結(jié)果。但本工程區(qū)域由于實(shí)測的潮位、潮流資料很少，不可能利用潮流資料來推算不同重現(xiàn)期下的設(shè)計(jì)流速［8］。另外，由于大橋工程位于近岸地區(qū)，風(fēng)浪對工程區(qū)域的流場影響較大，這一因素不容忽視。因此，本次設(shè)計(jì)流速的計(jì)算利用潮流數(shù)學(xué)模型和潮差來間接計(jì)算不同重現(xiàn)期下的設(shè)計(jì)流速，具體步驟如下：(1）建立并驗(yàn)證平面二維潮流數(shù)學(xué)模型；(2）高公島離工程區(qū)域最近，利用高公島在不同重現(xiàn)期下的最大潮差和正常天氣下的潮位過程，構(gòu)造不同重現(xiàn)期下模型邊界的潮位過程；(3）根據(jù)構(gòu)造的邊界潮位過程，確定不同的工況組合(考慮有無風(fēng)浪），計(jì)算得到大橋工程位置在不同重現(xiàn)期下的最大流速和平均流速。

2 模型的建立與驗(yàn)證

圖1 模型計(jì)算網(wǎng)格Fig.1 Calculation grids of a tidal current model

2.1 模型計(jì)算范圍

本次數(shù)學(xué)模型計(jì)算域沿岸方向長約73 km，垂直于岸方向上寬度約46 km，計(jì)算域面積約為3 358 km2。為了更準(zhǔn)確地?cái)M合岸線，計(jì)算網(wǎng)格采用非結(jié)構(gòu)化的三角形網(wǎng)格。在大橋所在位置，網(wǎng)格進(jìn)行局部加密處理，以保證工程及其附近區(qū)域的流場模擬精度，其他地區(qū)網(wǎng)格則隨距離大橋的遠(yuǎn)近而自然疏密過度。模型的最小網(wǎng)格尺度為10 m，最大網(wǎng)格尺度為2 000 m，網(wǎng)格布置如圖1所示。

2.2 模型參數(shù)設(shè)置

模型計(jì)算的高程基準(zhǔn)統(tǒng)一為連云港理論最低潮面，比國家85高程面低270.1 cm。在該潮流數(shù)學(xué)模型中，通過曼寧系數(shù)M值來實(shí)現(xiàn)對海底摩阻的模擬。在本次數(shù)值模擬中，M的取值范圍為45～55。

2.3 模型邊界設(shè)置

在本次采用的潮流數(shù)學(xué)模型中，需給定2種邊界條件，即閉邊界條件和開邊界條件：(1）開邊界條件，即水域邊界條件，可以給定水位或流速，對于本次數(shù)值模擬方案，計(jì)算域內(nèi)有2個(gè)開邊界，3個(gè)控制點(diǎn)；(2）閉邊界條件，即水陸交界條件，在該邊界上，水質(zhì)點(diǎn)的法向流速為0。

2.4 模型驗(yàn)證

潮流數(shù)學(xué)模型采用2009年實(shí)測潮位、流速資料進(jìn)行驗(yàn)證，計(jì)算時(shí)長約為3 d，包含一個(gè)完整的大潮過程。潮位、流速實(shí)測點(diǎn)位置分布如圖2所示。計(jì)算得到的潮位驗(yàn)證和流速流向驗(yàn)證如圖3和4所示。從驗(yàn)證結(jié)果來看，本次計(jì)算模擬的潮位驗(yàn)證較好，3#測點(diǎn)流速流向驗(yàn)證較好；1#、2#測點(diǎn)的流向驗(yàn)證較好，但流速值存在些許偏差，可能是由于該點(diǎn)位于徐圩航道工程附近的緣故。模擬的潮流場基本反映了該區(qū)域的潮流漲落特征，工程區(qū)域及其附近海域的潮流帶有典型的旋轉(zhuǎn)流性質(zhì)，并在近岸地區(qū)存在一定的往復(fù)流特性。本次計(jì)算結(jié)果與各測點(diǎn)的潮位、流速過程吻合較好，表明本文建立的數(shù)學(xué)模型可用于跨海大橋設(shè)計(jì)流速的計(jì)算分析。

圖2 潮位、流速實(shí)測點(diǎn)位置分布Fig.2 Measuring points of tide level and currents

圖3 2#測點(diǎn)潮位驗(yàn)證Fig.3 Verification of tide level for 2#measuring point

圖4 1#，2#和3#測點(diǎn)流速流向驗(yàn)證Fig.4 Verification of velocity and direction of current for 1#，2#and 3#measuring points

3 設(shè)計(jì)流速計(jì)算

3.1 橋位計(jì)算點(diǎn)布置

由于跨海大橋縱向跨越海灣，而海灣南北的水深地形存在較大差異，本次設(shè)計(jì)流速的計(jì)算共取了15個(gè)計(jì)算點(diǎn)，其中1#～14#沿跨海大橋中心線位置從北到南等間距布置，15#點(diǎn)位跨海大橋的主橋墩位置，1#～15#點(diǎn)的相對位置如圖5所示。

3.2 計(jì)算工況選取

考慮到風(fēng)浪對工程區(qū)域流場的影響，在本次數(shù)值模擬計(jì)算中考慮E向、ENE向和NE向3種不利風(fēng)向、相應(yīng)的風(fēng)生浪，按照有無風(fēng)浪作用的不同條件組合，總共考慮12種計(jì)算工況，如表1所示。3種不利風(fēng)向下的波浪及波浪輻射應(yīng)力由MIKE21 SW波浪模型［9］計(jì)算得到。300年一遇、100年一遇、50年一遇E向風(fēng)速分別為36.14，32.48和29.92 m/s；在相同重現(xiàn)期下，NE向和ENE向風(fēng)速相同，其300年一遇、100年一遇、50年一遇風(fēng)速值分別為33.89，30.75和29.0 m/s。

圖5 橋位計(jì)算點(diǎn)相對位置Fig.5 Relative positions of calculated points

3.3 設(shè)計(jì)流速計(jì)算

根據(jù)大橋工程區(qū)域附近的水文測驗(yàn)資料［10］顯示，在正常天氣情況下，該地區(qū)的流速特征表現(xiàn)為離岸遠(yuǎn)、水深大的區(qū)域平均流速大，離岸近、水深小的區(qū)域平均流速小，且工程區(qū)域鄰近海域內(nèi)的流速普遍較小，靠近海岸地區(qū)的平均流速不足0.30 m/s。由于大橋工程位于潮間帶地區(qū)，本次模型計(jì)算的正常天氣條件下的流速也都較小，與實(shí)測情況相符。

本次研究計(jì)算了正常天氣條件時(shí)，不同重現(xiàn)期下1#～15#計(jì)算點(diǎn)的最大流速比值，并將其與海港水文規(guī)范中按潮差比計(jì)算的最大流速值進(jìn)行比較，如表2所示。表2中，Uc為常風(fēng)天最大流速計(jì)算值，Um為模型最大流速計(jì)算值，Us為按規(guī)范計(jì)算最大流速計(jì)算值。從表2可見，模型計(jì)算得到的最大流速值與按照海港水文規(guī)范中利用潮差比計(jì)算的最大流速值基本相符，其差別在±5%以內(nèi)，表明模型計(jì)算的準(zhǔn)確度較好。

表2 無風(fēng)浪工況時(shí)不同重現(xiàn)期下的流速比較Tab.2 Comparison of current velocity without wave under different return periods (m·s-1）

連云港站與高公島站的同期潮位潮差資料相關(guān)系數(shù)很高，高低潮位相關(guān)系數(shù)高于0.98，潮差相關(guān)系數(shù)為0.972。本工程鄰近高公島海域，利用相關(guān)方程由連云港站1992-2011年最大潮差推算得到高公島潮差極值序列，分析得知300年、100年和50年重現(xiàn)期潮差分別為6.22，6.06和5.97 m。本次數(shù)值模擬，按表1列出的計(jì)算工況組合，共計(jì)算了3種不同重現(xiàn)期下的流速過程，三者的流速分布特征基本相同，且50年一遇的流速基本小于100年一遇和300年一遇的流速。由于跨海大橋工程采用的是重現(xiàn)期100年和300年下的設(shè)計(jì)值，為減小篇幅，下文僅對這兩種重現(xiàn)期的流速過程、流速特征展開分析，對重現(xiàn)期50年一遇的流速過程和特征不作詳細(xì)討論。

3.4 設(shè)計(jì)流速分析

重現(xiàn)期100年一遇時(shí)不同工況組合下的漲潮、落潮流場如圖6所示。在100年一遇潮位無風(fēng)浪工況下，大橋北側(cè)接岸處在漲潮時(shí)受地形影響產(chǎn)生漩流，局部流速增大；大橋南側(cè)接岸處以沿岸流為主，漲潮為SE向，落潮為NW向。

圖6 工程區(qū)域及附近海域的漲潮落潮流場Fig.6 Flow fields of the project area and nearby area

對比圖6(a），(b）與圖6(c），(d）可以看出，在E向風(fēng)浪作用下，工程區(qū)域及附近海域的漲潮落潮流場形態(tài)都有較大改變；由于E向風(fēng)與海灣以南岸線夾角成銳角，在海灣以南的沿岸，漲落潮流均變?yōu)镹W向的沿岸流。如圖6(e），(f）所示，ENE向風(fēng)浪作用下的流場形態(tài)與E向風(fēng)浪作用時(shí)大致相同，但流速矢量略有減小。與E向、ENE向風(fēng)浪不同，NE向風(fēng)浪幾乎垂直于海灣以南岸線，在漲潮時(shí)沒有明顯的沿岸流。由此可知，3種不同風(fēng)浪對流場的影響不同。

為比較分析風(fēng)和浪分別對工程區(qū)域流場的影響程度，列出100年一遇潮位下，有風(fēng)無浪和無風(fēng)有浪作用下的流場(圖7）。圖7與圖6(a），(b）對比可知，在100年一遇潮位和風(fēng)作用下，其同時(shí)刻的漲潮落潮流場變化較大：在海灣以南沿岸，漲潮流變?yōu)镹W向的沿岸流，且流速值有增大；由于風(fēng)的影響，落潮流有明顯增強(qiáng)。在100年一遇潮位和波浪作用下，其同時(shí)刻的漲潮落潮流場變化較?。河捎诓ɡ擞绊?，在海灣以南的沿岸SE向漲潮流消失，海灣以南的沿岸NW向落潮流稍有增強(qiáng)。

圖7 100年一遇潮位下工程區(qū)域及附近海域漲潮落潮流場Fig.7 Flow fields of the project area and nearby the area under 100 years return period

1#～15#計(jì)算點(diǎn)的底面高程分布如圖8所示，高程基面為當(dāng)?shù)乩碚撟畹统泵?。在無風(fēng)浪計(jì)算工況下，1#～15#計(jì)算點(diǎn)的最大流速與平均流速分布如圖9(a），(b）所示。從不同重現(xiàn)期來看，300年一遇的最大流速值基本大于100年一遇的最大流速值。從計(jì)算點(diǎn)的不同位置來看，平均流速值呈現(xiàn)中間大、南北兩邊小的流速特征，這與水深值的分布特征相同，6#計(jì)算點(diǎn)水深值最大，其平均流速值也最大；最大流速值分布并不是呈現(xiàn)如上特征，這與最大流速值發(fā)生的時(shí)刻不同和各個(gè)計(jì)算點(diǎn)是否露灘有關(guān)。1#～3#計(jì)算點(diǎn)存在露灘現(xiàn)象，最大流速值發(fā)生在漲急時(shí)刻，4#～8#計(jì)算點(diǎn)無露灘，最大流速值發(fā)生在落急時(shí)刻；9#～14#計(jì)算點(diǎn)存在露灘現(xiàn)象，最大流速值發(fā)生在露灘前1 h。

在有風(fēng)浪工況下，E向、ENE向、NE向風(fēng)浪作用時(shí)，1#～15#計(jì)算點(diǎn)的100年一遇最大流速與平均流速分布如圖9(c），(d）所示。由于風(fēng)浪作用，引起近岸增水效應(yīng)，計(jì)算點(diǎn)的流速值都有不同程度的增大。在不同方向風(fēng)浪作用下，1#～15#計(jì)算點(diǎn)的流速值呈現(xiàn)如下特征：E向風(fēng)浪作用時(shí)流速值最大，ENE向次之，NE向最小。1#～15#計(jì)算點(diǎn)中，5#計(jì)算點(diǎn)的最大流速值最大，其100年一遇最大流速值為0.76 m/s，300年一遇最大流速值為0.81 m/s。

圖8 1#～15#橋位計(jì)算點(diǎn)的高程分布Fig.8 Elevation of the calculation points

圖9 有無風(fēng)浪作用時(shí)1#～15#計(jì)算點(diǎn)的最大流速值與平均流速值分布Fig.9 The maximum and average current velocities of the calculation points with and without wind and waves

綜合以上分析可知，在相應(yīng)重現(xiàn)期下的風(fēng)浪作用下，工程區(qū)域近岸會產(chǎn)生0.20～0.80 m的增水，流速值也相應(yīng)增大。因此，通過本文的數(shù)值模擬研究，計(jì)算得到現(xiàn)狀岸線邊界條件下，重現(xiàn)期100年和300年時(shí)大橋工程位置最大流速值分別為0.76和0.81 m/s。

4 結(jié) 語

(1）利用有限體積法和干濕邊界技術(shù)建立了一個(gè)二維潮流數(shù)學(xué)模型，用于潮間帶地區(qū)跨海大橋設(shè)計(jì)流速的計(jì)算。通過模型驗(yàn)證和考慮不利風(fēng)浪等多種工況下的數(shù)值模擬，計(jì)算得知，當(dāng)工程區(qū)附近有排水設(shè)施時(shí)，工程位置最大流速值為1.25 m/s。

(2）工程海域內(nèi)重現(xiàn)期300年一遇的流速普遍大于重現(xiàn)期100年一遇的流速，重現(xiàn)期100年一遇的流速大于重現(xiàn)期50年一遇的流速。但由于工程區(qū)域位于潮間帶地區(qū)，不同重現(xiàn)期下的最大流速值差值和平均流速值差值較小。

(3）在有風(fēng)浪作用情況下，大橋工程位置及其附近海域?qū)a(chǎn)生0.20～0.80 m的增水，并在風(fēng)生流和波生流的影響下，流場會發(fā)生較大改變，各計(jì)算點(diǎn)的流速值也都相應(yīng)增大。因此，對于潮間帶地區(qū)設(shè)計(jì)流速的計(jì)算，必須考慮風(fēng)浪的影響。

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Calculation and analysis of design current velocity for Lianyungang Haibin bridge in intertidal zone

ZHAI Jian-feng1，2，DONG Pei-hua1，2，XIONG Wei1，2，DONG Jia1，2
(1.Jiangsu Proυincial Communications Planning and Design Institute Co.，Ltd.，Nanjing 210005，China；2.Water Transport Engineering Research Center of Jiangsu Proυince，Nanjing 211100，China）

As one of the important parameters in the design of the bridge，the design current velocity is closely related to the safety of the bridge construction and its safe operation.Usually two kinds of prediction methods including analysis by the measured data and calculation by a mathematical model are used in the engineering practices.In order to ensure the safety of the bridge construction and normal operation，it is necessary to accurately predict the design current velocity.It is an available approach to use the mathematical model to predict possible maximum current velocity in the construction area.Therefore the mathematical model calculating the tidal current in the engineering sea area is developed by use of 2D shallow water equation and wet/dry boundary treatment technique based on the finite volume method，and the model verification is carried out using the measured data.On this basis，taking account of combinations of different working conditions with and without wind and waves，the design current velocity for the bridge construction position in the intertidal zone at different recurrence intervals is calculated and analyzed，which has provided important parameters for the bridge design and physical model tests. The calculated and analyzed results show that the key factors such as wind and waves should be considered in calculating design current velocity for bridge construction because they would cause greater impacts on the flow field in the intertidal zone.

sea-crossing bridge；intertidal zone；wet/dry boundary；recurrence intervals；numerical simulation；action by wind and waves

TV131.3；P731.21 文獻(xiàn)標(biāo)心碼：A

1009-640X(2014）03-0062-08

2013-10-14

江蘇省交通科技重大專項(xiàng)資助項(xiàng)目：江蘇沿海建港條件及關(guān)鍵技術(shù)集成研究(2011Y01）

翟劍峰(1975-），男，安徽蕪湖人，高級工程師，主要從事水運(yùn)工程技術(shù)的規(guī)劃、咨詢和相關(guān)技術(shù)研發(fā)等工作。通信作者：熊偉(xw_7816@126.com）