基于MIKE 21對防撞設(shè)施橋墩處紊流寬度的研究

王加建，陳懿強，楊之彥

（中交上海航道勘察設(shè)計研究院有限公司，上海 200120）

關(guān)鍵字：MIKE 21；防撞設(shè)施；紊流寬度

引言

上海市內(nèi)河航道“船舶大型化”的現(xiàn)象已經(jīng)比較普遍。2010年至2016年，上海內(nèi)河轄區(qū)進(jìn)出港船舶平均載重噸從 450 t上升至 650 t，提高了約44 %，以每年5 %的速度增長，充分顯示了船舶大型化的發(fā)展趨勢。2016年2月23日，上海市交通委組織召開了“內(nèi)河大船進(jìn)港危及橋梁隱患處置工作”專題研討會，指出：上海市超航道等級標(biāo)準(zhǔn)的大型船舶對跨航道橋梁的安全風(fēng)險與日俱增，一旦發(fā)生大型船舶撞擊重點公路、鐵路及軌道交通橋的重特大事故，后果將十分嚴(yán)重，船舶大型化帶來的一系列問題要引起高度重視。委領(lǐng)導(dǎo)強調(diào)，要始終把安全問題放在第一位。船舶大型化對航道及橋梁等基礎(chǔ)設(shè)施的安全影響是行業(yè)管理中不可回避的短板問題之一，要防患于未然，盡快開展切實有效的應(yīng)對措施和手段。全面摸排調(diào)查內(nèi)河航道上橋梁現(xiàn)狀情況，對既有水中設(shè)墩橋梁按照輕重緩急設(shè)置防護(hù)設(shè)施勢在必行。

由于橋梁防撞設(shè)施方案復(fù)雜以及不同航道地形的不同，防撞設(shè)施布設(shè)后可能對橋梁航段通航安全造成影響，因此本文以茹塘大橋和中運河橋為例，采用MIKE 21建立開展了二維水流數(shù)學(xué)模型，研究防撞設(shè)施的布設(shè)對于橋墩處紊流寬度的影響。

1 規(guī)范中的方法

現(xiàn)狀通航凈寬值可由橋墩內(nèi)凈距-紊流寬度得出。紊流寬度的計算按照《內(nèi)河航道工程設(shè)計規(guī)范》12.2.4節(jié)第5條紊流計算公式進(jìn)行計算。

式中：

E1為通航孔兩側(cè)橋墩紊流寬度標(biāo)準(zhǔn)值（m）；

K1為與橋墩形狀相關(guān)系數(shù)，圓頭墩取 0.8，尖頭墩取0.66，方頭墩取1.2；

v為墩前水流流速（m/s），取v=1.5 m/s；

b為橋墩投影到航道中心法向?qū)挾龋╩），對于圓頭墩、尖頭墩，b=（墩長-墩寬）sinα+墩寬，對于方頭墩，b=（墩長×sinα+墩寬×cosα）；

h為橋墩附近水深，按設(shè)計最高通航水位起算?？紤]到日后航道維護(hù)疏浚，此處采用航道規(guī)劃等級對應(yīng)的航道規(guī)劃低標(biāo)高進(jìn)行計算。

經(jīng)過計算，布設(shè)防撞設(shè)施前，茹塘大橋最終紊流寬度取值3.39 m。布設(shè)防撞設(shè)施后，南側(cè)通航孔一側(cè)為 B1型防撞墩，一側(cè)為柔性防護(hù)，最終紊流寬度取值3.74 m。北側(cè)柔性防護(hù)最終紊流寬度取值3.69 m。

布設(shè)防撞設(shè)施前，中運河橋最終紊流寬度取值3.27 m。布設(shè)防撞設(shè)施后，中運河橋最終紊流寬度取值1.99 m。

2 數(shù)值模型的建立

2.1 基本方程[1-5]

采用丹麥水力研究所（DHI）研發(fā)的MIKE 21軟件進(jìn)行計算網(wǎng)格生成、地形處理和水流計算等。MIKE 21屬于平面二維自由表面流模型，廣泛運用于海洋、湖泊、河道及蓄滯洪區(qū)的流場、流速、水位等方面的模擬，能夠獲得不同水文要素的時空分布及洪水淹沒信息[6]。

MIKE 21水動力學(xué)模塊是本次風(fēng)險分析模擬最核心的基礎(chǔ)模塊。水流模擬基于的控制方程是不可壓流三維雷諾Navier-Stokes平均方程沿水深積分的連續(xù)方程和動量方程，其連續(xù)性方程、X和Y方向動量方程如下[7]：

式中：

t為時間；

x,y為直角坐標(biāo)系坐標(biāo)；

η為水位；

d為靜止水深；

h=η+d為動態(tài)水深；

,為x,y方向上的垂線平均速度；

f=2Ωsinφ為柯氏力參數(shù)（Ω為地球旋轉(zhuǎn)角速度，φ為緯度）；

g為重力加速度；

ρ為水體密度；

ρ0為水體參照密度；

Sxx,Sxy,Syx,Syy為輻射應(yīng)力分量；

τxx,τxy,τyx,τyy為剪切應(yīng)力分量；

S為點源的流量；

us,vs為水質(zhì)點速度在x,y方向上的分量；

Txx,Txy,Tyy為側(cè)向壓力，表達(dá)式為

2.2 茹塘大橋數(shù)值模型的建立

1）模型建立與網(wǎng)格劃分

葉新公路橋（茹塘大橋）橋梁現(xiàn)狀橋墩內(nèi)凈距為17 m，橋墩周圍存在一定的紊流。布設(shè)防撞設(shè)施后，橋墩周圍的紊流范圍會相應(yīng)的發(fā)生變化。本次橋梁防撞設(shè)施在橋墩南側(cè)通航孔布置2座B1型防撞墩、非通航孔布置2座φ400組合鋼管樁，橋墩通航孔側(cè)布設(shè)復(fù)合防護(hù)材料。

模型概化范圍上游至北石港，下游至向蕩港。模型概化采用三角形網(wǎng)格對模型區(qū)域進(jìn)行剖分，準(zhǔn)確貼合復(fù)雜多變的河道岸線及工程方案平面布置，邊界附近網(wǎng)格邊長較大，約為13 m；從邊界至工程區(qū)域網(wǎng)格逐漸加密，工程局部區(qū)域網(wǎng)格邊長最小為0.6 m。圖1為模型計算區(qū)域及局部區(qū)域網(wǎng)格布置示意。

圖1 計算區(qū)域及網(wǎng)格示意

2）計算工況及水文條件

根據(jù)設(shè)計要求，本次計算采通航最高水位（4.15 m）與最低水位（2.00 m）對茹塘大橋防撞實施前后的水流條件進(jìn)行計算分析，根據(jù)內(nèi)河航道工程設(shè)計規(guī)范第12.2.4條，對于閘控航道，墩前水流流速應(yīng)取最大引排水流量時的水流流速，且不得小于1.5 m/s。因此本次水流流速采用1.5 m/s進(jìn)行計算。計算工況分為高水位時茹塘大橋橋梁防撞實施前和防撞實施完成后以及低水位時茹塘大橋橋梁防撞實施前和防撞實施完成后四種工況。

工況 1：防撞設(shè)施實施前橋區(qū)河段高水位；工況2：防撞設(shè)施實施后橋區(qū)河段高水位。

2.3 中運河橋數(shù)值模型的建立

1）模型建立與網(wǎng)格劃分

松衛(wèi)南路橋（中運河橋）橋墩內(nèi)凈距現(xiàn)為21.9 m，在承臺上下游兩側(cè)布置φ400組合鋼管樁。

模型概化范圍上游至龍泉港，下游至慧高涇，全長19 km。模型概化采用三角形網(wǎng)格對模型區(qū)域進(jìn)行剖分，準(zhǔn)確貼合復(fù)雜多變的岸線及工程方案平面布置，邊界附近網(wǎng)格邊長較大，約為18 m；從邊界至工程區(qū)域網(wǎng)格逐漸加密，工程局部區(qū)域網(wǎng)格邊長最小為0.5 m。圖2為模型計算區(qū)域網(wǎng)格。

圖2 計算區(qū)域及網(wǎng)格

2）計算工況及水文條件

根據(jù)設(shè)計要求，本次計算采用最高通航水位對中運河橋防撞實施前后的水流條件進(jìn)行計算分析。計算工況分為中運河橋梁防撞實施前和防撞實施完成后兩種工況。

實施前和實施后水文條件相同。根據(jù)《上海市內(nèi)河航道工程設(shè)計規(guī)范》，對于閘控航道，墩前水流流速應(yīng)取最大引排水流量時的水流流速，且不得小于1.5 m/s，報告取1.5 m/s。利用航道上下游相鄰水文站設(shè)計通航水位值，通過內(nèi)插得出最高通航水位為3.55 m，過水流量為200 m3/s，最低通航水位2.00 m，過水流量為135 m3/s。

3 結(jié)果與分析

3.1 茹塘大橋

1）流場分析

茹塘大橋橋區(qū)段高水位時，在現(xiàn)狀情況下，如圖3所示，水流流向總體上與河道走向基本平行，但在橋墩附近，橋墩迎水側(cè)水流受橋墩頂托水流流向橋墩兩側(cè)略有偏轉(zhuǎn)，水流在繞過橋墩兩側(cè)時發(fā)生邊界層分離，并橋墩后方形成尾渦。

茹塘大橋防撞設(shè)施實施后，如圖4所示，橋區(qū)段水流流場與現(xiàn)狀情況相比，有一定的差異，同時防撞墩對橋墩附近的流場影響大于組合鋼板樁。由于防撞墩寬度較大，水流繞過防撞墩后，在后側(cè)橋墩附近形成一定寬度的邊界層分離區(qū)域，同時在橋墩尾部形成尾渦；而組合鋼板樁寬度與橋墩寬度基本一致，水流繞過組合鋼板樁后，橋墩兩側(cè)時出現(xiàn)邊界層分離，但寬度較小，在橋墩后側(cè)存在圍渦，但圍渦尺度較防撞墩小。

圖3 高水位時設(shè)墩前流場分布

圖4 高水位時設(shè)墩后流場分布

2）流速分析

圖 5為高水位時茹塘大橋橋墩附近的流速分布。模型計算通航高水位時，橋墩附近主槽區(qū)域，如圖 5所示的 2#橋墩與 4#橋墩之間區(qū)域，流速為1.4～1.6 m/s；主槽左槽1#橋墩與2#橋墩之間區(qū)域流速為1.0～1.2 m/s；主槽右側(cè)4#橋墩與5#橋墩之間區(qū)域流速為1.2～1.6 m/s。

圖5 實施前橋區(qū)河段流速大小分布

根據(jù)《內(nèi)河航道工程設(shè)計規(guī)范》（DG/TJ 08-2116-2012），對于水中設(shè)墩的 VI級航道，橋墩周圍橫向流速超過0.25 m/s時，將對船舶航行安全產(chǎn)生不利影響，可認(rèn)為橫向流速超過0.25 m/s的水域?qū)儆诘K航紊流影響范圍。本次紊流計算參照《內(nèi)河航道工程設(shè)計規(guī)范》的相關(guān)要求。

圖6 實施前橋區(qū)橫向流速大小分布

圖7 實施后橋區(qū)橫向流速大小分布

茹塘大橋現(xiàn)狀情況下，高水位時，通航區(qū)域位于2號、3號橋墩間和3號、4號橋墩間。橋墩附近的橫向流速大小分布，如圖6所示。2號、3號橋墩間紊流寬度為3.98 m，3號、4號橋墩間紊流寬度為4.12 m。因此，防撞設(shè)施實施前，橋區(qū)段最大紊流寬度為4.12 m。茹塘大橋防撞設(shè)施實施后，橋墩附近的橫向流速大小分布，如圖7所示。2號、3號橋墩間紊流寬度為5.32 m，3號、4號橋墩間紊流寬度為4.35 m。因此，防撞設(shè)施實施后，橋區(qū)段最大紊流寬度為5.32 m。

3.2 中運河橋

1）流場分析

中運河橋橋區(qū)段最高通航水位時，在現(xiàn)狀情況下，如圖8所示，橋區(qū)段水流最高通航水位流流向總體上與河道走向基本平行，但在橋墩附近，橋墩迎水側(cè)水流受橋墩頂托水流流向影響向兩側(cè)偏轉(zhuǎn)，水流在繞過橋墩兩側(cè)時發(fā)生邊界層分離，并橋墩后方形成尾渦；中運河橋防撞設(shè)施實施后，如圖9所示，橋區(qū)段水流流場與現(xiàn)狀情況相比，總體上差異不大，但在組合管樁附近流場略有差異，組合鋼管樁迎水側(cè)水流向兩側(cè)偏轉(zhuǎn)，組合鋼管樁后面存在尾渦。

圖8 實施前橋區(qū)河段流場分布

圖9 實施后橋區(qū)河段流場分布

2）流速分析

圖 10為最高通航水位中運河橋橋墩防撞設(shè)施實施前后橋址附近的流速分布情況。中運河橋防撞設(shè)施實施前后，橋址段河道流速分布總體上無明顯變化；橋墩附近，受橋墩影響，橋墩兩側(cè)流速略有增大；橋墩迎水頭部及橋墩尾部區(qū)域流速略有減??；防撞設(shè)施實施前后，流速分布無明顯差異。橋區(qū)段，最高通航水位，主槽區(qū)域流速為1.35～1.6 m/s；最低通航水位，主槽區(qū)域流速為 1.35～1.6 m/s；橋墩兩側(cè)，流速為0.8～1.2 m/s。

圖10 實施前后橋區(qū)河段流速大小分布

根據(jù)《內(nèi)河航道工程設(shè)計規(guī)范》，對于水中設(shè)墩的 VI級航道，橋墩周圍橫向流速超過 0.25 m/s時，將對船舶航行安全產(chǎn)生不利影響，可認(rèn)為橫向流速超過0.25 m/s的水域?qū)儆诘K航紊流影響范圍。

中運河橋現(xiàn)狀情況下，最高通航水位，橋墩附近的橫向流速分布如圖 11所示，橋墩下游迎水側(cè)橫向流速大于上游，且河道彎曲方向及橋墩走向的影響，在橋址附近流速為1.5 m/s時，橋區(qū)段紊流寬度為3.2 m，橋墩凈距21.9 m，有效通航凈寬為18.7 m。

中運河橋防撞設(shè)施實施后，橋墩寬度不變，最高通航水位，橋墩附近的橫向流速分布如圖 12所示，在橋址附近流速為1.5 m/s時，橋區(qū)段紊流寬度為2.9 m。

圖11 實施前橋區(qū)河段橫向流速大小分布

圖12 實施后橋區(qū)河段橫向流速大小分布

對比公式所得紊流寬度數(shù)值，根據(jù)圖8～11，可以發(fā)現(xiàn)防撞設(shè)施布設(shè)前后紊流寬度的變化，如表1所示。

表1 防撞設(shè)施布設(shè)前后紊流寬度對比

從表中可以發(fā)現(xiàn) MIKE 21數(shù)模所得紊流寬度值一般都大于公式計算結(jié)果，但布設(shè)防撞設(shè)施前后的變化規(guī)律和公式結(jié)果不同并有一定差距。根據(jù)數(shù)模所反映的流場，墩前水流的變化情況比公式中所考慮的參數(shù)要復(fù)雜，本文認(rèn)為需要對公式進(jìn)行修改。

4 結(jié)論

本文采用丹麥水力研究所（DHI）研發(fā)的MIKE 21軟件建立了茹塘大橋和中運河橋的數(shù)值模型，模擬了在恒定水流作用下，防撞設(shè)施布設(shè)前后對于橋墩紊流寬度的影響，并與規(guī)范公式所得紊流寬度值進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)數(shù)值模擬所得紊流寬度值往往比規(guī)范法所得大，而且在增設(shè)防撞設(shè)施后其紊流寬度有增大，有減小，這與所采用的防撞設(shè)施方案有關(guān)，同時也可能與橋墩前航道地形有關(guān)，但總體而言，采用數(shù)值模擬的方法能較好的還原了航道實際的地形情況，同時結(jié)合了每條航道的唯一性，能更好的反映航道實際的紊流寬度。且彌補了規(guī)范法中所采用公式法中未很好體現(xiàn)橋墩前地形對于紊流寬度的影響，今后可以增加相應(yīng)地形參數(shù)進(jìn)行公式的矯正。