二維水動(dòng)力學(xué)模型在東亭河大橋洪水影響評(píng)價(jià)中應(yīng)用

王麗杰

(安徽省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，安徽 合肥 230000)

新建池州至黃山鐵路(簡(jiǎn)稱(chēng)“池黃鐵路”)雙線東亭河大橋于黟縣西遞鎮(zhèn)境內(nèi)跨越東亭河，包含于擬建的昌景黃鐵路左線、右線東亭河大橋中間，3座橋梁間間距約為30m。池黃鐵路雙線東亭河大橋以及昌景黃鐵路左線、右線大橋橋梁長(zhǎng)度分別為462.92m、 504.07m 、468.85m，3座橋梁跨東亭河主河道橋墩均采用圓墩，其他橋墩為圓端形實(shí)體墩。由于本處河段共規(guī)劃建設(shè)3處橋梁，且橋梁與河道存在一定斜交，為了更準(zhǔn)確的分析東亭河大橋工程建設(shè)對(duì)東亭河行洪影響，本文基于MIKE 21建立橋址處東亭河段二維水動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行影響分析。

1 平面二維水流數(shù)學(xué)模型

1.1 數(shù)學(xué)模型

本次分析需建立東亭河大橋橋址處二維模型，模型建立過(guò)程包括計(jì)算范圍確定、網(wǎng)格剖分、糙率確定以及邊界條件建立。根據(jù)橋梁建設(shè)時(shí)間順序，分別對(duì)工況1(僅有昌景黃2座橋梁)、工況2(昌景黃+池黃鐵路雙線大橋3座橋梁)共計(jì)2種工況分別建立數(shù)學(xué)模型。

1.2 模型計(jì)算范圍及網(wǎng)格剖分

二維模型計(jì)算范圍為東亭河源川村境內(nèi)河段，二維地形采用實(shí)測(cè)東亭河橋址上游400m、下游1800m之間河道兩岸平面、橫斷面資料,河段長(zhǎng)約2.2km。河段地面高程模型如圖1所示。

圖1 河段地面高程模型

網(wǎng)格剖分基于實(shí)測(cè)的地形數(shù)據(jù)建立區(qū)域整體地形變化的不規(guī)則非結(jié)構(gòu)化三角網(wǎng)格，河道面積約1.5km2，采用邊長(zhǎng)約5m左右的三角形作為計(jì)算網(wǎng)格。為了精細(xì)模擬出橋墩建筑物對(duì)水流的影響，模型將鐵路橋跨河段局部區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行加密處理，最小網(wǎng)格長(zhǎng)度控制在1m左右，建橋后將橋墩所在單元作為不過(guò)流單元處理，本文以3座橋梁方案為例進(jìn)行分析。

1.3 糙率及邊界條件建立

由于東亭河河段缺乏實(shí)測(cè)水文資料，本次計(jì)算的模型參數(shù)主要以一維河網(wǎng)模型斷面提取結(jié)果作為驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算工況為現(xiàn)狀無(wú)橋工況。根據(jù)已知流量和下游水位值逐步試算，驗(yàn)證10年1遇、100年1遇2種工況下相應(yīng)的橋址附近水位值，驗(yàn)證結(jié)果如表1所列，進(jìn)而確定模型所需參數(shù)。

表1 橋址處二維模型計(jì)算特征斷面水位與一維計(jì)算水位比較表

二維模型上游進(jìn)口邊界采用流量控制，下游出口邊界采用水位控制，邊界條件如表2所列。

表2 計(jì)算水位邊界條件表

2 防洪綜合影響分析

2.1 壅水影響分析

由于新建橋墩減少了河道過(guò)流面積，水流流線在橋墩的上游形成收縮，下游形成擴(kuò)散，加上橋體本身的阻力等因素，使河流的局部阻力增大，造成局部水頭損失，引起水流動(dòng)能轉(zhuǎn)化為勢(shì)能，必然造成橋前水位升高而引起壅水。根據(jù)模擬計(jì)算，遭遇不同設(shè)計(jì)洪水各計(jì)算工況下的東亭河水位變化如表3所列，由計(jì)算結(jié)果可知在昌景黃左線、右線大橋的基礎(chǔ)上增加池黃鐵路雙線大橋后，壅水高度略有增加，但水位變化僅限于橋梁上下游局部范圍內(nèi)，可通過(guò)切灘補(bǔ)償?shù)裙こ檀胧┻M(jìn)行補(bǔ)償。

表3 壅水高度計(jì)算成果表

2.2 流速、流場(chǎng)變化分析

大橋?qū)嵤┖螅驑蚨战ㄔO(shè)，河道流場(chǎng)變化，導(dǎo)致各方案橋墩處流速變化不一?？偟膩?lái)說(shuō)，由于橋墩的阻水作用使得橋墩上、下游掩護(hù)區(qū)內(nèi)流速有所減小，橋孔之間流速增大，越靠近橋墩流速變化越明顯。3座大橋?qū)嵤┖髽蛑诽?00年1遇洪水主河槽流速分布圖如圖2所示，橋址處10年、100年1遇洪水時(shí)流線示意圖如圖3所示，由圖可見(jiàn)大橋建設(shè)后，橋墩附近出現(xiàn)明顯的阻流和繞流，橋墩之間的流向和流速較現(xiàn)狀發(fā)生了變化。從流速圖上可見(jiàn)，橋梁建設(shè)后引起的流場(chǎng)變化主要集中在橋跨附近，橋墩的阻流、繞流現(xiàn)象明顯，主河槽橋墩之間流線密集，流速變化較大。

圖2 100年1遇洪水主河槽流速分布圖(工況2)

圖3 10年、100年1遇洪水時(shí)流線示意圖(工況2)

2.3 橋墩布置型式分析

(1)橋墩平面布置。大橋跨越處3排橋墩連續(xù)布置，各排橋墩之間的距離大小會(huì)對(duì)水流流場(chǎng)流態(tài)產(chǎn)生不同程度的影響。由計(jì)算結(jié)果可知，僅有昌景黃兩排橋墩時(shí)(工況1)橋址處平均流速2.3m/s，加上池黃鐵路大橋橋墩(工況2)后橋址處平均流速有所增大，為2.8m/s。受上游橋墩的影響，橋墩兩側(cè)水流的紊動(dòng)強(qiáng)度及影響范圍均有所增加，水流更加紊亂。從流態(tài)圖中可見(jiàn)主河槽3排橋墩的布置順?biāo)飨虿辉谝粭l直線上，加大了橋墩阻水面積，不利于河道行洪及河勢(shì)穩(wěn)定。建議主設(shè)單位進(jìn)一步研究?jī)?yōu)化橋墩的布置型式，或通過(guò)河道斷面補(bǔ)償?shù)裙こ檀胧p少不利影響。

(2)橋墩型式。由于橋梁與河道斜交，由圖2～圖3可見(jiàn)，位于東亭河主河道的池黃鐵路大橋11號(hào)橋墩以及昌景黃右線大橋3號(hào)、左線大橋4號(hào)橋墩的挑流作用較明顯，將造成局部沖刷及下游河勢(shì)改變。位于左岸灘地的池黃鐵路12號(hào)和昌景黃左線2號(hào)、3號(hào)橋墩為圓端墩，也存在挑流作用，橋墩挑流使右側(cè)水流偏向主河道，左側(cè)挑流對(duì)河岸產(chǎn)生一定沖刷。挑流作用的影響是局部范圍內(nèi)的，可以通過(guò)岸坡防護(hù)等措施降低不利影響，建議岸坡防護(hù)工程與主體工程同步實(shí)施。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文采用基于非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的平面二維水流運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型模擬橋址處水流流態(tài)，計(jì)算結(jié)果從水位壅高、流速與局部流場(chǎng)等方面反映了修建涉水工程對(duì)河段水流的影響，同時(shí)對(duì)橋梁群中橋墩的布置型式(橋墩平面布置型式、橋墩型式)進(jìn)行了分析。由分析結(jié)果可知產(chǎn)生的影響均為局部范圍內(nèi)的，可通過(guò)工程措施以及優(yōu)化橋墩布置型式等減小影響，為東亭河大橋防洪評(píng)價(jià)提供依據(jù)。