橋閘間耦合水流分析與橋位選擇

吳 中，李 婧，李垣君

（河海大學土木與交通學院，江蘇 南京210098）

橋閘間耦合水流分析與橋位選擇

吳 中，李 婧，李垣君

（河海大學土木與交通學院，江蘇 南京210098）

橋梁建設涉及到選址問題，有墩橋梁因橋梁墩柱矗立水中干擾影響原有水流流態(tài)，可能會帶來河道沖刷、淤積、減小行洪排澇能力等問題。如果建設橋梁臨近重要的涉水臨河設施，水流流態(tài)變化對設施的影響就需要詳細評估。以某城市水道節(jié)制閘上游橋梁選址規(guī)劃研究為背景，建立了包括河道、水閘、橋墩相關設施的二維水流數(shù)值模型。通過工程前后典型工況下水流的模擬，得到橋墩附近、節(jié)制閘前的水位和流速流向的變化，結合節(jié)制閘安全運行因素，給出橋梁選址的建議。

橋梁；選址；水流；水閘

橋梁選址大多要受空間與周邊環(huán)境限制。橋位選址除受道路選線、地質條件、工程難易與投資總額影響外，橋梁建設對水流的影響也不可忽視。一般情況下，只要考慮水流的通過量、橋梁橋墩擋水對行洪安全的影響。當橋梁建在河道節(jié)制閘附近上游區(qū)域，以往采用等效橋墩擋水面積的簡單計算分析橋墩對水流影響的方法已經(jīng)難以滿足工程設計的要求。尤其在河道水文變化幅度較大情況下，需要細致全面地考慮對水環(huán)境、跨河建筑物以及水位、流速和流向的影響。橋梁選址也要以確保其它水工建筑物安全運行為前提。某規(guī)劃建設橋梁位于運河河口，上游連通京杭大運河與長江，下游為九孔跨河節(jié)制水閘A。因引水灌溉的需求，水閘要在多種水位與流量工況下運行。有關部門擔心橋墩對水的作用會影響到水閘A的正常工作與安全，需要預測不同橋址對水流影響的量值，為橋位選址決策提供依據(jù)。

1 工程背景

如圖1所示，節(jié)制閘A位于圖中右側中部(地理位置居東)，上游約300 m為多條水道匯流處，向南通向長江，向西通向京杭大運河(通過節(jié)制閘B)。規(guī)劃橋位只能位于節(jié)制閘A上游100 m有限范圍內(nèi)選擇。從交通角度看，橋梁緊靠節(jié)制閘A線路布局最優(yōu)；從水閘運行角度出發(fā)，希望橋梁選址遠離跨河節(jié)制閘。橋梁選位的關鍵集中于橋墩作用水流對水閘安全運行影響的可接收程度上。對此，方案一為緊靠節(jié)制閘方案，橋梁中軸線距A閘閘門59 m；方案二為遠離節(jié)制閘方案，橋梁中軸線距A閘閘門99 m。橋梁采用七跨方案，每跨橋墩由4個直徑1.5 m圓柱并列構成。為減少橋墩對水流干擾，每跨四個橋墩中軸連線與對應閘墩中線對齊。

1.1 水閘典型工況

節(jié)制閘A開閘放水主要有4種典型的工況,具體工況參數(shù)見表1，水道中泓P點為距A閘閘墩59 m河中位置(圖1)，計算中需要依據(jù)P點水位推算水文要素。

圖1 水道、節(jié)制閘與橋梁工程選址示意圖Fig.1 Diagram of waterway,check gate and bridge construction

表1 節(jié)制閘A運行典型工況（廢黃河高程）Tab.1 Typical working condition of Check Gate A(the Yellow River elevation)

1.2 閘前水下地形

水閘A上下游都建有雙側弧形直立翼墻，水閘下部結構包括閘墩、閘墩兩側混凝土立柱、閘下門坎。閘A前水底有并排的3個下凹消力池和消力池上游漿砌塊石底面、干徹條石底面。閘A前其它部位水下地形有實測資料。根據(jù)實測地形數(shù)據(jù)繪制的閘前3D地形如圖2所示。

2 橋閘水流模型

橋閘水流數(shù)學模型參照真實河道地形、橋墩形式、閘墩等水閘下部結構構建，計算結果具有較高的精度和穩(wěn)定性，可以模擬出橋梁建設前后水流的改變。

2.1 控制方程

模型控制方程由水平動量方程、連續(xù)方程組成。根據(jù)不可壓縮流體N-S方程和Boussinesq假定、考慮地球自轉影響，可以得到如下平面二維計算形式。式中：ζ為根據(jù)基面確定的水位；ζ，η 為水平正交曲線坐標；d為參考基面水深；為坐標轉換系數(shù)，在球坐標下為經(jīng)度坐標；?為維度坐標；R為地球半徑；U，V分別為ζ方向和η方向按水深積分的平均流速；Q為全局源匯項；u，v分別為ζ方向和η方向的流速；f為科氏力參數(shù)；ρ0為水的密度；Pζ，Pη為由密度變化產(chǎn)生的壓力梯度；Fζ，F(xiàn)η為水平雷諾應力；Mζ，Mη為動量方程的源匯項。

2.2 數(shù)值模型

考慮較遠處河道地形對閘前流態(tài)的影響，模型東起A閘下游、西至B閘下游，北起C閘南至通往長江河道，東西南北大約1 500 m×1 500 m范圍，建立計算水域的3D地形模型見圖2。

由于A閘開啟工作時B、C閘關閉，因此模型邊界主要包括有：入流邊界和A閘出流無反射邊界；河道側向、B閘下游截斷面、C閘為全反射閉合邊界（圖1）；橋墩、閘墩按其大小形狀設置為干點，在水中為固定形狀固體，橋墩閘墩外表面成為實質上的閉合邊界。河床底部摩阻系數(shù)設為0．022 5。邊界標識號見圖1。

模型采用變距曲線正交網(wǎng)格，考慮到閘前流態(tài)的重要性，網(wǎng)格在A閘河道中泓上加密并延伸?？紤]到A閘上游匯流區(qū)流態(tài)復雜，可能會出現(xiàn)跌水現(xiàn)象，計算邊界采用上游流量控制，下游A閘出流口水位控制的差分解法。數(shù)值計算不僅可以得到橋閘周邊二維平均流速分布，同時也可以得到橋墩引起的河面水位增高分布。

3 典型工況計算

3.1 閘A出流邊界E2水位

各典型工況皆為恒定流狀態(tài)，由于推算的水位點P處于方案一橋位處（圖1），屬計算區(qū)域內(nèi)點，無法作為邊界條件的控制水位。模型給定邊界條件還需要知道A閘下游邊界處水位。因此只能反復設定出流斷面水位初值反向迭代逼近橋位P處水位，尋找并標定橋梁未建情況下諸工況的開邊界出流水位(表2)。

表2 無橋狀態(tài)4種工況出流斷面E2水位標定結果（廢黃河高程）Tab.2 E2 water level calibration results of four kinds discharge section in non bridge state(the Yellow River elevation)

A閘后水流為人工控制的恒定流，正常工況下水位保持不變，標定E2水位可以作為各種工況的出流邊界條件。從表2中可以看出水閘A下游E2出流邊界處水位明顯低于閘A上游P點水位。

3.2 各工況水流計算

根據(jù)各工況上游流量和下流水位的邊界控制條件，結合地形與橋閘布設，分別計算出無橋與兩種不同橋位方案四種工況下的水流流速與水表水位分布。4種工況橋閘附近水流流速分布見圖3～圖6。最高水位工況的水表水位分布見圖7。在圖3～圖6各子圖的右上端明顯看到A閘深色的9個泄流閘孔和相應的閘墩，在相應的有橋方案子圖中可以看到深色或淺色的水中橋墩。

從4種工況計算結果看，橋梁對閘A上游的水流流態(tài)有明顯的干擾。較高水位工況1、2，4組河道橋墩阻水作用明顯；較低水位工況3、4，中泓兩組橋墩影對水流響較大。各工況下，橋墩的阻水作用將A閘前無橋水流流速中泓“舌狀”分布改變?yōu)橹秀皬堥_的手指狀”分布。其中，950 m3/s大流量、低水位工況2和400 m3/s小流量低水位工況4還會引起閘前中泓流速較大的增大(見表3)。由于4種工況入流源于長江，水流入A閘前在匯流區(qū)附近有轉彎，A閘前流態(tài)表現(xiàn)出中泓的非對稱。從流速矢量圖中看出，工況4甚至建橋后橋上游臨近南岸的局部區(qū)域出現(xiàn)順時針的環(huán)流。

圖3 工況1無橋、橋位一、橋位二方案橋閘間流速等值線圖Fig.3 Working condition 1,non bridge,bridge site scheme one,two of flow velocity contour map between bridge and gate

圖4 工況2無橋、橋位一、橋位二方案橋閘間流速等值線圖Fig.4 Working condition 2,non bridge,bridge site scheme one,two of flow velocity contour map between bridge and gate

圖5 工況3無橋、橋位一、橋位二方案橋閘間流速等值線圖Fig.5 Working condition 3,non bridge,bridge site scheme one,two of flow velocity contour map between bridge and gate

圖6 工況4無橋、橋位一、橋位二方案橋閘間流速等值線圖Fig.6 Working condition 4,non bridge,bridge site scheme one,two of flow velocity contour map between bridge and gate

由于橋梁橋墩的阻水作用，橋位處水位會有所抬高。橋位一、二方案橋墩處至上游全計算域水位被抬高1.4 cm，由于P點和橋位一橋墩位置重合，橋位一方案P點水位抬高1.4 cm;橋位二P點處于橋位二橋墩下游，P點水位沒有變化。水位的抬高主要涉及到水道的防洪，大流量低水位工況2橋位橋墩前（橋墩上游）抬高水位值最大達到2.6 cm，工況3、工況4橋位橋墩前水位分別抬高1.5 cm，1.0 cm。圖7表達了無橋、方案一、方案二計算域水位高程的分布，可以發(fā)現(xiàn)匯流處至A閘河道交接段有明顯的水位跌落，其它工況也有類似的情況。這是水位從緩流向急流轉變的跌水現(xiàn)象，這也是入流斷面E1處無法由P點水位標定水位高程的原因。

圖7 工況1(最高水位)無橋、橋位一、橋位二方案計算全域水位等值線圖Fig.7 Working condition 1(highest water level),no bridge,bridge site one,two calculate the whole water level contour map

3種方案4種工況計算結果部分涉及閘孔的水流水位值列于表3中。由于3種方案不同工況的流量都恒定，建橋后中閘前水位和中閘后水位于建橋前幾乎沒有變化，表達了恒定水流在閘前閘后的特性，計算結果合理。

表3 無橋、橋位一、二方案四種工況閘孔周邊水位水流計算值Tab.3 Four working conditions,no bridge,bridge site one and two of calculation value of water level flow around gate hole

4 計算結果分析對比

4.1 閘墩前后水域平均流速變化

4個典型工況中，工況2、工況4是不同流量下的低水位工況，它所對應的閘前、閘后流速比高水位更大。雖然建橋前后A閘閘孔前后水位變化不大 （水位梯度也沒有變化），但閘孔前臨近矩形水域118.5 m×7.5 m和閘孔后臨近水域118.5 m×3.0 m的流速分布發(fā)生了一些變化，將不同工況下兩塊水域的網(wǎng)格流速統(tǒng)計值列于表4。

表4 不同工況閘前、閘后水域流速統(tǒng)計值Tab.4 Statistical values of flow velocity in front and back of sluice gates under different working conditions

表4計算結果表明，不同橋位橋梁建設方案總體上對A閘前7．5 m上游有限水域和閘后3．0 m下游有限水域的平均流速影響不大，但流速方差的不同表明閘前后流速分布受到了橋墩的影響。

4.2 橋墩對水流形態(tài)影響分析

雖然表4表明橋墩對閘墩前后的平均流速影響不大，但閘孔周邊的流態(tài)仍然需要分析。對有橋方案與無橋情況同等工況的流速矢量差進行分析，尋求橋墩建設帶來的閘孔前后的流速附加矢量。2種橋位方案針對無橋狀態(tài)的各工況流速附加矢量放大局部圖見圖8、圖9。

圖8 橋位方案一引起的附加流速矢量(左至右：工況1，2，3，4)Fig.8 Additional flow velocity vectors(left to right:conditions 1,2,3,4)caused by bridge plan 1

圖9 橋位方案二引起的附加流速矢量(左至右：工況1，2，3，4)Fig.9 Additional flow velocity vectors(left to right:conditions 1,2,3,4)caused by bridge plan 2

由于橋墩將A閘前水道流速的“舌狀”分布改變?yōu)椤爸笭睢狈植?，橋墩對閘前水流的影響顯然不是均衡施加的。如果將閘孔從北至南以1#～9#編號，橋墩對各閘孔流速的增減見表5。向上向下箭頭分別表示流速對無橋狀態(tài)的增加與減少，短橫線表達既沒有增減?？傮w而言，水道中高流速的“指狀”分布增大了A閘兩側閘孔流速，中泓閘孔流速有增有減。

表5 受橋墩影響閘孔流速的增減Tab.5 The increase or decrease of the velocity of the gate hole by the influence of the pier

橋墩對A閘前水流流態(tài)影響更為復雜，方案一1、2工況1#～4#閘孔前附加了順時針環(huán)流、5#～6#閘孔前逆時針和7#～9#閘孔前逆時針兩個環(huán)流；方案一3、4工況又有所變化，1#～3#閘孔前附加順時針環(huán)流、4#～6#閘孔前、7#～9#閘孔前附加兩個逆時針環(huán)流。方案二閘前情況與方案一相差不大，但相應環(huán)流流速有所減小。閘前存在附加環(huán)流對水閘安全不利。

圖10 橋位方案一、二流速矢量差(左至右：工況1、2、3、4)Fig.10 Bridge position scheme one and two flow vector difference(left to right:conditions 1,2,3,4)

對橋位方案一與橋位方案二的流速矢量差進行觀察(圖10)，比較兩橋位方案相應水流對A閘的影響程度。方案一矢量減方案二閘孔流速增減見表6。

從表6統(tǒng)計結果中可以看出，方案一和方案二比較，不論什么工況，水道中泓最大流速5#閘孔的流速始終最增大的，這對水閘安全不利。

表6 方案一對方案二閘孔流速的附加增量Tab.6 Scheme one to two additional increment of flow velocity at gate hole

5 結論

根據(jù)數(shù)模計算結果研究分析可得：

1）水閘上游建橋會明顯改變閘前流態(tài)，河道內(nèi)高流速中泓“舌狀”分布因受橋墩阻擋改變?yōu)椤爸笭睢狈植肌?/p>

2）由于橋墩的阻水作用，橋梁橋墩面向上游水位有所抬高，抬高影響范圍較大，在計算區(qū)域內(nèi)影響范圍為1 000 m，尤其在大流量低水位時期，抬高更明顯。

3）建橋后水流形成的“指狀”分布使大流速水流有擴散性，明顯增加了靠岸兩側閘孔水流，也增加或減小了水閘中央閘孔流速。

4）橋梁橋墩使閘前流態(tài)復雜化（理想狀態(tài)下，閘前水流為平行流最佳），在閘前附加多個順時針環(huán)流與逆時針環(huán)流，當附加環(huán)流流速較大時，會對建筑結構產(chǎn)生危害。

5）橋位方案一、橋位方案二的比較：P點到出水斷面的水位梯度變化是方案一大于方案二；閘前環(huán)流流速大小是方案一大于方案二；中間閘孔最大流速是方案一大于方案二，通過以上分析，橋位方案二對水閘影響小于橋位方案一，建議選用橋位方案二。采用橋閘耦合水流數(shù)模分析，可以提供橋閘間水流詳細流態(tài)，為進一步分析水閘安全、底部沖刷、河岸穩(wěn)定提供了基礎數(shù)據(jù)，具有工程實用性。

研究可繼續(xù)深入，可在三維模型下分析擬建橋梁對已有建筑的影響，與二維模型計算結果進行比較；可選擇多種橋位方案，進行更全面的橋位比選研究和水流分析。

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Analysis of Coupled Flow Between Bridge and Sluice and the Selection of Bridge Site

Wu Zhong，Li Jing，Li Yuanjun
（College of Civil and Transportation Engineering， Hohai University， Nanjing 210098， China）

Bridge construction involves the site selection with the pier column tower over water disturbing the original flow pattern,which may cause such problems as river channel erosion,sedimentation and decline in flood drainage.When the construction of the bridge is close to the wading installations,the effect of variations of flow pattern on installations requires thorough assessment.Taking the bridge site planning of the upstream aqueduct gate of a city as the study background,this paper established a two-dimensional flow numerical model of river channel,sluice,pier and other facilities.Through the simulation of water flow under typical conditions before and after the engineering,the changes of water level,velocity and flow direction near the bridge and check gate were obtained.Combining the safe operation factor of the check gate,it provides some suggestions for bridge site selection.

bridge；site selection；flow；sluice

（責任編輯 王建華）

U442.4

A

1005-0523（2017）06-0045-08

2017－06－15

吳中（1964—），男，教授，博士，碩士研究生導師，研究方向為交通運輸規(guī)劃與管理、交通運輸信息與控制、交通安全等。