橋涵拓寬水動(dòng)力數(shù)值分析

李東風(fēng)，謝華偉，聶 會(huì)

(1.浙江水利水電學(xué)院 水利與環(huán)境工程學(xué)院，浙江 杭州 310018;2.浙江水利水電學(xué)院 科技處，浙江 杭州 310018)

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橋涵拓寬水動(dòng)力數(shù)值分析

李東風(fēng)1，謝華偉1，聶 會(huì)2

(1.浙江水利水電學(xué)院 水利與環(huán)境工程學(xué)院，浙江 杭州 310018;2.浙江水利水電學(xué)院 科技處，浙江 杭州 310018)

路橋過(guò)水涵洞是連接道路兩側(cè)的河網(wǎng)的重要水道，拓寬橋涵寬度工程會(huì)對(duì)河流水位有一定影響.通過(guò)建構(gòu)河網(wǎng)平面二維數(shù)學(xué)模型，計(jì)算出橋涵附近河網(wǎng)水流的流速和水位等水動(dòng)力要素，分析了河網(wǎng)的水流運(yùn)動(dòng)，通過(guò)分析橋涵拓寬前后水位的變化、水位差的變化和橋涵上游分河段的比降，計(jì)算出橋涵拓寬對(duì)水位的最大降低值為0.028 m，對(duì)橋涵上游的影響范圍為450 m.該結(jié)論可為河流治理施工提供一定依據(jù).

橋涵拓寬；數(shù)值模擬；水位；流速

路橋過(guò)水橋涵是連接道路兩側(cè)的河網(wǎng)的重要水道，是制約道路兩側(cè)河網(wǎng)水動(dòng)力的重要工程.縱橫交叉平原河網(wǎng)作為水體的重要載體，具有行洪排澇、調(diào)蓄水量、航運(yùn)交通、供水灌溉、景觀休閑和生態(tài)環(huán)境等重要功能[1].紹興柯橋平原河網(wǎng)水體流動(dòng)緩慢，河網(wǎng)水動(dòng)力弱，是制約河網(wǎng)水環(huán)境的重要因素，直接影響一個(gè)地區(qū)防洪排澇和水環(huán)境水安全，關(guān)系本地區(qū)水環(huán)境和經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展[1-3].早期建設(shè)的道路鐵路橋涵過(guò)水寬度小，護(hù)岸工程銜接不夠，致使水流運(yùn)動(dòng)阻力大，流速小，水位壅高大，影響范圍廣，嚴(yán)重減弱了柯橋平原河網(wǎng)水動(dòng)力和水體的流動(dòng)性，進(jìn)一步影響河網(wǎng)防洪排澇和水環(huán)境.通過(guò)擴(kuò)寬橋涵過(guò)水寬度、配合護(hù)岸工程流線型設(shè)計(jì)減少了水流運(yùn)動(dòng)的阻力，增加了水流運(yùn)動(dòng)的速度，降低了水位，增加了連接河網(wǎng)的水動(dòng)力，是增強(qiáng)橋涵兩側(cè)河網(wǎng)水動(dòng)力的重要措施.以往對(duì)橋涵壅水的研究比較多，但從分河段比降的逐漸減小的角度研究壅水的影響范圍和強(qiáng)度的不多[4-10].

本文通過(guò)平面二維數(shù)學(xué)模型，數(shù)值計(jì)算了橋涵附近河網(wǎng)水流流速和水位等水動(dòng)力要素，分析了河網(wǎng)的水流運(yùn)動(dòng)，從橋涵拓寬前后水位的變化、水位差的變化和橋涵上游分河段的比降等方面，分析了橋涵拓寬對(duì)水位的最大降低值和對(duì)橋涵上游的影響范圍.

1 河流水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型理論

河流水動(dòng)力建模理論包括水流運(yùn)動(dòng)基本方程和定解條件.

1.1 水流運(yùn)動(dòng)基本方程

水流連續(xù)方程：

(1)

水流運(yùn)動(dòng)方程：

(2)

式中：h—水深；u、v—橫向及縱向水流速度；Z—水位；n—滿寧糙率；νt—渦流系數(shù).

1.2 定解條件

定解條件包括初始條件和邊界條件.數(shù)學(xué)模型初始值設(shè)定為常數(shù).初始條件對(duì)最終結(jié)果沒(méi)有影響.在本水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型中，使用了三種不同的邊界條件，即陸地條件(零流速)；水位邊界條件；流量邊界條件.

2 模型及其參數(shù)選擇

2.1 模型

(1)模型河流概況

柯橋區(qū)大坂湖直江是柯南柯北平原河網(wǎng)連通的重要通道，大坂湖直江通過(guò)鐵路和104國(guó)道公路(見(jiàn)圖1中的黑線，與古運(yùn)河平行)的橋涵(見(jiàn)圖1中圓圈部分)連通道路兩側(cè)的河網(wǎng)，橋涵附近通過(guò)縱橫交錯(cuò)的多條河流形成河網(wǎng)，主要有東西方向的古運(yùn)河、梅墅橫江和永進(jìn)橫江，南北方向的大坂湖直江、雨花庵直江、新風(fēng)直江和上市頭河等(見(jiàn)圖1).

圖1 河網(wǎng)及其分段標(biāo)記圖

(2)模型計(jì)算邊界條件

圖1是整體河網(wǎng)模型中的與橋涵相關(guān)的部分，在圖中河網(wǎng)模型中，河流進(jìn)口有2號(hào)—9號(hào)，水位控制條件為3.95 m，河流出口有18號(hào)—21號(hào)，水位控制條件為3.90 m，分別設(shè)置了不同的水位控制條件.

(3)模型參數(shù)的選擇

主要依據(jù)以往規(guī)劃設(shè)計(jì)的成果，《紹興縣中小河流治理重點(diǎn)縣綜合整治及水系連通試點(diǎn)規(guī)劃》、《柯橋主城區(qū)活水一期工程項(xiàng)可行性研究報(bào)告》[9]等成果，成果由紹興市水利水電設(shè)計(jì)院完成.在進(jìn)行上述規(guī)劃論證時(shí)，根據(jù)河網(wǎng)非恒定流計(jì)算方法，建立驗(yàn)證了一維非恒定流數(shù)學(xué)模型，并對(duì)河網(wǎng)湖泊進(jìn)行了相關(guān)水利計(jì)算，取得了可靠的計(jì)算成果，以上規(guī)劃所采用的水文分析成果及水利計(jì)算方法可靠，驗(yàn)證的水動(dòng)力計(jì)算參數(shù)，其取得計(jì)算成果和參數(shù)可供本模型參考.本二維水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型使用的參數(shù)，選用參考了以上成果驗(yàn)證得到的模型參數(shù).

3 計(jì)算結(jié)果及其分析

為分析橋涵拓寬對(duì)水動(dòng)力的影響，分別在河網(wǎng)交叉處，標(biāo)記不同的字母；選擇了橋涵上游影響最大的河段大坂湖直江南段進(jìn)行分析，圖1的黑線線段G—F—E—D—C—B所示，河道GB長(zhǎng)度總計(jì)2 448.56 m，在GB直線上，從起點(diǎn)G到橋涵水位最大壅水點(diǎn)B，以等距離的方式選擇250個(gè)點(diǎn)作為水位分析的對(duì)象，位置(見(jiàn)圖1).

3.1 河網(wǎng)水流流動(dòng)分析.

水流從5號(hào)進(jìn)口流入河網(wǎng)水域后(見(jiàn)圖2流速矢量圖)斷面較小，經(jīng)過(guò)第一個(gè)垂直的彎道后到第二個(gè)垂直的彎道G后，河寬突然增加，流速減少，水流從G點(diǎn)(G點(diǎn)作為沿程水位分析的起點(diǎn))繼續(xù)向下流動(dòng)，由于水流過(guò)水?dāng)嗝嫱蝗粩U(kuò)大，流速明顯減小，在F點(diǎn)水流分汊，一部分水流繼續(xù)向前流動(dòng)，進(jìn)入很大的水域后水流分流，流速繼續(xù)減小，在EE點(diǎn)之間形成分汊水流，在E點(diǎn)斷面突然縮小，水流繼續(xù)向前流動(dòng)，與從左側(cè)4號(hào)口流入的水流形成匯流，繼續(xù)向前流動(dòng)的水流與從左側(cè)3號(hào)口匯入的水流形成匯流后，繼續(xù)向前流動(dòng)到橋涵位置前的的最大壅水處(沿程水位分析的終點(diǎn)B點(diǎn)).右側(cè)的分流有，在F點(diǎn)分流到永進(jìn)橫江和雨花庵直江的水流，在D點(diǎn)和C點(diǎn)分流到雨花庵直江和梅墅橫江的水流等，其他河網(wǎng)因流動(dòng)相互作用，水流運(yùn)動(dòng)的分析具有往復(fù)性，水流運(yùn)動(dòng)中一方面除受河床岸邊的沿程阻力外，另一方面紊動(dòng)阻力，例如過(guò)水?dāng)嗝嫱蝗辉龃蟆⑼蝗粶p少、彎道和分流匯流所形成旋渦等的紊動(dòng)阻力，水流運(yùn)動(dòng)過(guò)程中能量在一些河道減少很大，流速降低很大，流動(dòng)性變慢.

3.2 橋涵拓寬沿程水位分析

河網(wǎng)水位直接關(guān)系到河道防洪和鐵路公路橋梁安全，本文在水流流入和流出條件和選取分析的時(shí)間都相同的條件下，分析橋涵拓寬后水位的變化(見(jiàn)圖3和圖4).從圖可以看出雖然水流進(jìn)出口邊界邊界條件相同，但由于橋涵的拓寬引起的水位上升的多少不同，拓寬前水位明顯高于拓寬后的水位.

圖2 河網(wǎng)流速矢量圖

圖3為長(zhǎng)度為2 448.565 m的直線GB上選取250個(gè)點(diǎn)所繪制的同一時(shí)刻橋涵拓寬前后的水位(主坐標(biāo))以及拓寬前后的水位差(次坐標(biāo))，從圖可以看出，從整體看，從橋涵的前部B位置處到上游，水位變化的總趨勢(shì)是升高，水位升高的原因一方面是橋涵過(guò)水?dāng)嗝姹容^窄小，另一方面也由于水流過(guò)水?dāng)嗝鎻拇蟮綌嗝嫱蝗豢s小以及匯流水量的增加等引起的，拓寬前后的水位降低最大0.028 m，最小0.018 m.其中也有水位的局部下降.主要由于水流運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，局部范圍內(nèi)水位壅高前動(dòng)能大，勢(shì)能小，水位壅高到最大后，勢(shì)能最大，流速最小，從后向前看，水位呈現(xiàn)下降的趨勢(shì).

為分析橋涵拓寬前后局部壅水的強(qiáng)度和范圍，繪制了橋涵上游足夠長(zhǎng)的范圍內(nèi)的水位和水位差比較圖(見(jiàn)圖4)，圖4為在圖3的基礎(chǔ)上，選取的水位變化的轉(zhuǎn)折點(diǎn)繪制的拓寬前后的水位和水位差，可以看出從橋涵向上游，水位差從0.028 5 m減小到0.026 5 m，可以而已是說(shuō)，橋涵壅水對(duì)上游的影響逐漸降低.圖5是橋涵上游附近的分河段的比降圖，此圖是根據(jù)圖4的選點(diǎn)，由每?jī)蓚€(gè)點(diǎn)的距離和水位差計(jì)算出的該和段水流的水面比降，此比降值被看作為是該河段的前一個(gè)點(diǎn)的比降值.從繪制七個(gè)河段的比降值可以看出，從橋涵位置向上游比降逐漸變小，直至變?yōu)樨?fù)值，說(shuō)明水面壅水從陡向上游逐漸變緩，直到水位低于下游的水位.說(shuō)明橋涵對(duì)上游的影響基本結(jié)束.其影響范圍在距離橋涵的上游的450 m處.

圖3 沿程水位和水位差

圖4 橋涵附近沿程水位和水位差

圖5 橋涵上游分段比降

4 結(jié) 論

利用河網(wǎng)平面二維數(shù)學(xué)模型計(jì)算了橋涵附近河網(wǎng)水流的流速和水位等水動(dòng)力要素，分析了河網(wǎng)的水流運(yùn)動(dòng)，通過(guò)分析橋涵拓寬前后水位的變化、水位差的變化和橋涵上游分河段的比降，分析了橋涵拓寬對(duì)水位的最大降低值和橋涵拓寬水位降低對(duì)上游的影響范圍，為河流治理提供了依據(jù).

[1] 紹興市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院.柯橋主城區(qū)活水工程(1—2期)初步設(shè)計(jì)報(bào)告[R].紹興市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院,2012.

[2] 陳衛(wèi)金,李東風(fēng),張紅武.紹興平原河網(wǎng)防洪排澇水動(dòng)力模型控制條件分析[J].浙江水利水電學(xué)院學(xué)報(bào),2014,26(3):38-41.

[3] 梁佰軍,李東風(fēng),張紅武.瓜渚湖直江引水對(duì)通航影響的數(shù)值計(jì)算和分析[J].浙江水利水電專科學(xué)校學(xué)報(bào),2013,25(4):1-3.

[4] 李東風(fēng),張紅武,謝華偉，等.名山橋建橋河流壅水防洪影響研究[J].浙江水利水電?？茖W(xué)校學(xué)報(bào),2012,24(3):9-11.

[5] 李東風(fēng),張紅武,謝華偉，等.名山橋局部沖刷二維數(shù)值計(jì)算分析和防護(hù)研究[J].浙江水利水電?？茖W(xué)校學(xué)報(bào),2012,24(4):9-12.

[6] 梁佰軍,楊伏香,李東風(fēng),等.紹興柯橋主城區(qū)清水工程水動(dòng)力分析[J].浙江水利水電學(xué)院學(xué)報(bào),2015,27(1):16-20.

[7] 楊伏香,張培佳,陳衛(wèi)金,等.柯橋主城區(qū)清水工程河網(wǎng)湖泊水動(dòng)力二維數(shù)值模型分析[J].浙江水利水電學(xué)院學(xué)報(bào),2015,27(3):18-21.

[8] 萬(wàn) 強(qiáng),曹永濤.黃河浮橋?qū)拥浪饔绊懙脑囼?yàn)研究[J].人民黃河,2010(2):35-36，39.

[9] 孫東坡,王 俊,王國(guó)棟.橋渡群壅水特性及對(duì)河勢(shì)演變的影響[J].人民黃河,2007(11):29-30，33.

[10] 謝理洲,卜海磊,劉 英.鄭州官渡黃河公路大橋的橋渡設(shè)計(jì)[J].人民黃河,2009(9):96-98，101.

Numerical Analysis on Hydrodynamic Force in Bridge and Culvert Widening

LI Dong-feng1, XIE Hua-wei1, NIE Hui2

(1.College of Hydraulic and Environmental Engineering, Zhejiang University of Water Resources and Electric Power, Hangzhou 310018, China; 2.Department of Science and Technology,Zhejiang University of Water Resources and Electric Power, Hangzhou 310018, China)

Water culvert is an important channel connecting roads on both sides of the river network, and the widening engineering of bridges and culverts has a certain influence on river level. By the construction of two-dimensional mathematical model for river network, the dynamic factors, such as river flow velocity and water level near the bridges, are calculated. Based on the analysis on flow movement, the change of water level, as well as the change of water level difference before and after the widening construction of bridges and culverts, and the sectional gradient upstream the bridges are also analyzed. The study shows that the widening of bridges works on the water level by the maximum reducing value of 0.028 m, and the influence on the section upstream the bridges by 450 m, which provides certain basis for river management and construction.

bridge and culvert widening; numerical simulation; water level; flow velocity

2015-11-10

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51039003)；浙江省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(M503254)

李東風(fēng)(1965-)，男，河南夏邑人，博士，教授，主要從事水利工程教學(xué)和研究工作.

TV131.2

A

1008-536X(2016)06-0014-04