建橋?qū)拥婪篮榧巴ê接绊懙臄?shù)值模擬研究

於孟元 趙忠偉

摘要：利用二維水動力模型分析了新安江特大橋建設(shè)后過水斷面的變化，以及對通航條件和防洪安全的影響。結(jié)果表明，新安江特大橋建設(shè)后100年、20年和10年一遇洪峰經(jīng)過時，橋墩阻水面積分別減少5 43%、5.2g%和5.28%。10年一遇洪峰經(jīng)過時，橋位處流速約為0.6-0. 8m/s，主航道附近橫向流速不大于0.15m/s，滿足內(nèi)河通航標準要求。橋位處于新安江河道彎曲河段，洪峰經(jīng)過時，左岸（凹岸）迎水側(cè)壅水范圍相對較大，而右岸（凸岸）水深流急，墩前沖高相對較大。橋位附近流速變化主要受墩前壅水、繞流和尾流影響，但受富春江庫區(qū)回水作用，橋位附近壅水和流速變化不大。

關(guān)鍵詞：新安江特大橋;水動力;數(shù)值模擬;防洪;通航

中圖分類號：TV651.3

文獻標識碼：A

文章編號：1006-7973（ 2020） 06-0115-03

在河流上建橋，橋墩減小了河流的過水斷面，會使得橋址上游產(chǎn)生壅水，下游水位會有所降低，從而導致橋墩附近的流場發(fā)生變化，橋墩附近河床發(fā)生局部沖刷，對河流的通航和河道防洪產(chǎn)生不利影響[1-4]。如何確定建橋前后橋址附近河流的水動力變化的影響，是河道管理部門和橋梁建設(shè)部門關(guān)心的問題[5]。對橋址河段進行數(shù)值模擬，是解決此類問題的主要方法之一[6，7]。

1 工程概況

新建金華至建德鐵路工程跨新安江特大橋位于新安江下游河段、三江口（新安江、蘭江和富春江）上游3.5km處。大橋采用混凝土斜拉橋方案，主跨216m，橋址處江面寬約530m，其下游560m為已建的嚴州大橋（圖1）。

橋址河段處于富春江庫區(qū)，受到富春江水庫和新安江水庫防洪調(diào)度影響，基本喪失天然河道的洪水特征。對該段河道進行防洪影響評價和通航安全論證，不僅需要考慮壅水的影響，同時也需要考慮新安江電站和富春江電站防洪調(diào)度影響。

2 河道二維水動力模型

橋址區(qū)河道模型上游邊界截取至上游2公里處，下游截取至梅城水位站，總長度約為2800m。河道地形采用1：1000水下地形。模型采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，在橋墩處的網(wǎng)格尺寸加密至2—3m，橋墩外圍采用尺寸漸變網(wǎng)格，為減小模型網(wǎng)格尺寸對模擬結(jié)果的影響，保證不同方案可對比性，建橋前后網(wǎng)格基本一致，有橋墩方案將無橋墩方案橋墩尺寸范圍內(nèi)的網(wǎng)格挖除處理。

模型上、下游邊界定義為開邊界，上游邊界給定洪水流量過程，下游邊界給定洪水水位過程，橋墩和兩岸定義為無流量邊界。

模型采用2016年11月現(xiàn)場實測水位和流量數(shù)據(jù)驗證，驗證結(jié)果顯示模型計算的水位、流速與流向均跟實測值吻合較好，認為該模型能夠反映工程所在水域的流速動力特征，可以用來預測工程建設(shè)后河道的流場。

新安江特大橋處河段屬于山區(qū)lV級航道，設(shè)計最高通航水位采用10年一遇洪水重現(xiàn)期水位。準高速鐵路橋梁采用100年一遇防洪標準設(shè)計，工程區(qū)堤防按20年一遇設(shè)防。因此對百年一遇、20年一遇和10年一遇洪水進行模擬計算，前二者考慮為防洪安全工況，后者為通航安全工況。

3 工程實施對河段水流條件影響分析

受橋墩阻水和繞流作用的影響，新安江特大橋建成后橋位附近河段斷面過水面積減少，造成橋位上游河道水位壅高，對上游河道防洪造成一定壓力;同時改變橋位附近流場，對通航安全造成一定影響。

3.1 阻水面積比計算

擬建新安江特大橋?qū)⒃谛掳步瓋?nèi)布置5個涉水橋墩，由于橋墩及承臺均要占用河道過水面積，將降低河道行洪能力，并使橋址上、下游高水位發(fā)生變化，進而可能會影響堤防的安全。經(jīng)分析，建橋后產(chǎn)生的過水面積變化（阻水比）情況見表1。

3.2 建橋?qū)νê桨踩挠绊?/p>

擬建新安江特大橋位于富春江庫區(qū)，橋位附近流速不大，10年一遇洪峰經(jīng)過時橋位附近主航道流速大約在0.6-0.8m/s（圖2）。受橋墩周邊繞流影響，主墩和右岸橋墩附近流速略大。主航道附近橫向流速不大于0.15m/s，右岸橋墩附件橫向流速稍大（深色區(qū)域）。

根據(jù)內(nèi)河通航標準，假定船隊長度為183m，駁船長度為53m，分別取橋位軸線、上下游一倍駁船、上下游一倍船隊、上下游兩倍船隊和三倍船隊距離斷面，自上游往下游依次編號A-I斷面，分析主航道中心線（距左岸主墩100m）以及兩側(cè)各25m、50m五個點位（圖3）的橫向流速，計算結(jié)果如表2所示。從計算結(jié)果可以看出，新安江特大橋建設(shè)后主航道附近橫向流速均不大于1.5m/s，滿足內(nèi)河通航標準要求。

3.3 建橋?qū)π泻榈挠绊?/p>

受庫區(qū)回水影響，擬建新安江特大橋橋墩壅水并不明顯。橋位處于新安江河道彎曲河段，左岸（凹岸）迎水側(cè)壅水范圍較大，而右岸（凸岸）水深流急，墩前沖高較大。100年一遇洪峰經(jīng)過時，左岸0.005m壅高范圍超過150m，靠近右岸橋墩沖高超過0.1m。20年一遇洪峰經(jīng)過時，橋墩壅水較為微弱，靠近右岸橋墩沖高僅在0.05m左右（圖4）。

取橋位處及兩岸上下游各50m、主墩處及上下游各120m、主河槽及上下游各120m，分析建橋前后流速變化，統(tǒng)計結(jié)果如表3所示。受橋墩繞流影響，橋位處麗岸附近流速略有增加，對兩岸岸坡具有一定沖刷作用;主墩附近繞流明顯，流速多有增加，對主墩附近河床造成局部沖刷;受橋墩壅水影響，墩前120m處流速略有降低;受墩后尾水影響，墩后120m范圍內(nèi)流速也略有降低;主河槽同時受壅水、繞流和尾流影響，變化較為復雜。

4 結(jié)論

擬建新安江特大橋位于富春江庫區(qū)，工程實施后過水斷面減小，對通航條件和防洪安全造成一定影響。研究建立了新安江特大橋二維水動力模型，分析工程建設(shè)前后橋位附近水位和流速變化隋況。結(jié)果顯示，新安江特大橋建設(shè)后100年、20年和10年一遇洪峰經(jīng)過時，橋墩阻水面積分別減少5 .43%、5.29%和5.28%。10年一遇洪峰經(jīng)過時，主航道附近橫向流速不大于0. 15m/s，滿足通航要求。受富春江庫區(qū)回水作用，100年一遇洪峰經(jīng)過時，墩前0.005m壅水范圍僅為150m，橋位附近壅水和流速變化不大，對河道行洪影響有限。

參考文獻：

[1]王冬冬.越江橋梁水動力學及橋墩沖刷問題研究[D]河海大學碩士學位論文，2007.

[2] Romina C Giampieri， Pablo A. Tassi， Leticia BRodriguez， Carlos A Vionnet. NumericalSimulation of theExtraordinary Flood of the Salado River， Santa Fe [J]. Mec a nicaComputacional. 2003（12）：298- 308.

[3] Lorenzo Begnudelli， Brett F Sanders. Simulation of the St.Francis Dam-Break Flood[J]Journal of Engineering Mechanics，2007， 133 （11）.1200-1211.

[4]許全喜，張小峰大橋擴建對防洪航運影響的計算與分析[J]城市道橋與防洪，2003（1）：49-53

[5]鄒冰，李東風，張紅武建橋?qū)恿魉畡恿τ绊懙臄?shù)值計算分析研究[J]杭州電子科技大學學報，2007（03）：33-36

[6]王光磊二維水動力模型在老哈河鐵路橋防洪影響評價中的應用研究[D]吉林大學，2016

[7]黃維，黃國如五指山市毛陽橋工程對毛陽河河道行洪影響的數(shù)值模擬[J]水資源與水工程學報，2014，25（06）：146-150