二維水動(dòng)力模型在多座橋梁行洪影響分析中的應(yīng)用

(連云港市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，江蘇 連云港 222000)

隨著工程建設(shè)的發(fā)展，模型被應(yīng)用到越來(lái)越廣闊的領(lǐng)域中。目前，常用的模型軟件有MIKE 21、Fvcom等。Fvcom軟件主要應(yīng)用于學(xué)術(shù)研究，MIKE 21主要用來(lái)解決工程實(shí)際問(wèn)題，且界面友好。

MIKE 21是一個(gè)專(zhuān)業(yè)的工程軟件包，用于模擬河流、湖泊、河口、海灣、海岸及海洋的水流、波浪、泥沙及環(huán)境等。MIKE 21為工程應(yīng)用、海岸管理及規(guī)劃提供了完備、有效的設(shè)計(jì)環(huán)境。MIKE 21在我國(guó)應(yīng)用的非常廣泛，典型的大江大河都在應(yīng)用MIKE 21軟件包中不同的模塊和工具解決相關(guān)的問(wèn)題，采用該軟件參與的項(xiàng)目主要有長(zhǎng)江口水動(dòng)力學(xué)、鹽度模擬、 珠江口水流和泥沙模擬、 渤海灣水流和波浪模擬、嘉陵江重慶段水流模擬等。

MIKE 21主要包括前后處理、水動(dòng)力學(xué)、水質(zhì)和環(huán)境評(píng)價(jià)、泥沙傳輸四大模塊。本工程主要應(yīng)用水動(dòng)力學(xué)模塊，分析多座橋梁建設(shè)后橋下水流的疊加影響及變化情況，為工程建設(shè)提供依據(jù)。

連云港市地處我國(guó)沿海中部的黃海之濱，位于江蘇省東北部，隴海鐵路東端，東瀕黃海，具有海運(yùn)、陸運(yùn)、空運(yùn)相結(jié)合的優(yōu)勢(shì)，是我國(guó)溝通東西、連接南北的一個(gè)重要戰(zhàn)略樞紐。新墟互通位于連云港市區(qū)，是連霍高速與港城大道交叉節(jié)點(diǎn)。新墟互通作為高速公路和城市快速路的交叉節(jié)點(diǎn)，現(xiàn)狀具備第四象限的轉(zhuǎn)換服務(wù)能力，未來(lái)無(wú)法滿(mǎn)足該節(jié)點(diǎn)將承擔(dān)的更重要、更多樣化的路網(wǎng)轉(zhuǎn)換需求?；谝陨峡紤]，相關(guān)部門(mén)實(shí)施建設(shè)連云港市港城大道快速化改造——連霍高速新墟互通新增匝道工程。

工程擬在連霍高速跨排淡河橋東側(cè)新建D匝道、西側(cè)新建E匝道。新建D匝道下游緊鄰現(xiàn)狀隴海鐵路，工程至排淡河處從西到東依次有E匝道、連霍高速、D匝道、隴海鐵路橋。4座橋梁壅水相互疊加影響，影響行洪能力。本文利用二維水動(dòng)力模型進(jìn)行數(shù)值模擬，分析匝道建設(shè)后對(duì)排淡河的過(guò)流影響。

1 基本情況

1.1 河道概況

排淡河位于連云港市東部城區(qū)，河道從顧圩門(mén)節(jié)制閘到大板跳閘全長(zhǎng)17.3km，主要功能為防洪、治澇、供水。本工程新建橋梁處排淡河現(xiàn)狀河底高程約0m，底寬約18m，邊坡比約1∶3。河道兩岸堤防不明顯，左岸地面高程為3.2～4.0m，右岸地面高程為3.8～4.2m。

1.2 橋梁概況

E匝道7～10號(hào)墩(橋跨布置為2.0m×35.0m+31.8m)段橋梁跨越排淡河。7～9號(hào)橋墩與連霍高速橋墩對(duì)孔布置，7號(hào)橋墩布置在排淡河左岸，8號(hào)橋墩布置在河底，9號(hào)、10號(hào)橋墩布置在河道右岸。橋梁平面布置圖見(jiàn)圖1。

連霍高速公路跨排淡河橋梁為預(yù)應(yīng)力混凝土組合箱梁，先簡(jiǎn)支后連續(xù)結(jié)構(gòu)。上部結(jié)構(gòu)為簡(jiǎn)支變連續(xù)組合箱梁，由4片箱梁組成。下部結(jié)構(gòu)為蓋梁柱式墩，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，蓋梁寬1.8m、高1.6m、長(zhǎng)12.1m，直徑1.5m墩柱，直徑1.6m樁基。

D匝道12～15號(hào)墩(橋跨布置為40.0m+2.0m×32.5m)段橋梁跨越排淡河。12號(hào)橋墩布置在排淡河右岸，13號(hào)橋墩布置在現(xiàn)狀河底，14號(hào)、15號(hào)橋墩布置在排淡河左岸。D匝道、E匝道橋墩均設(shè)系梁，采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，跨河橋墩均采用直徑1.5m圓柱接直徑1.6m樁基。

隴海鐵路跨排淡河橋，橋跨布置為4.0m×16.6m，1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)橋墩位于排淡河現(xiàn)狀河道內(nèi)，橋墩承臺(tái)頂高程分別為-0.64m、-2.14m、-0.64m，承臺(tái)均高2.00m。

2 橋梁壅水分析

2.1 計(jì)算原理

模型系統(tǒng)建立在基于Boussinesq假定和流體靜壓假定的二維/三維不可壓縮雷諾時(shí)均N-S方程的數(shù)值解的基礎(chǔ)上。它由連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、溫度方程、鹽度方程和密度方程組成，并通過(guò)一個(gè)湍流解決方案將方程組閉合。對(duì)于水平尺度遠(yuǎn)大于垂直尺度的情況，由于水深、流速等水力參數(shù)沿垂直方向的變化比沿水平方向的變化要小得多，因此，將三維流動(dòng)的控制方程沿水深積分，并取水深平均值，可得到沿水深平均值的二維淺水流動(dòng)質(zhì)量和動(dòng)量守恒控制方程組。下面的控制方程均在笛卡兒坐標(biāo)系(平面直角坐標(biāo)系)下給出。

連續(xù)性方程：

x方向動(dòng)量方程和y方向動(dòng)量方程分別為

原始控制方程在空間上的離散方法采用基于單元中心的有限體積法，整個(gè)計(jì)算域細(xì)分成互不重疊的單元。在二維模型中，網(wǎng)格單元可以是三角形或者四邊形單元?？刂品匠滩捎秒[式交替方向ADI(Alternating Direction Implie)技術(shù)對(duì)潮流模型質(zhì)量和動(dòng)量方程進(jìn)行離散，所得的矩陣方程用追趕法(Double Sweep)求解。各微分項(xiàng)和重要系數(shù)均采用中心差分格式，防止離散過(guò)程中可能發(fā)生的質(zhì)量和動(dòng)量失真及能量失真。Taylor級(jí)數(shù)展開(kāi)的截?cái)嗾`差可達(dá)到二階至三階精度。

2.2 計(jì)算范圍

計(jì)算范圍：隴海鐵路橋上游2.64km至下游0.20km處，模擬河段全長(zhǎng)約2.66km。模型范圍包含上下游兩個(gè)邊界外。

網(wǎng)格劃分：采用無(wú)結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格剖分，邊長(zhǎng)一般為1～10m，項(xiàng)目區(qū)位置處加密為1～2m，網(wǎng)格數(shù)為17383個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為5894個(gè)。

2.3 模型參數(shù)

二維數(shù)學(xué)模型計(jì)算涉及的主要參系數(shù)有河道糙率和計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)等。河道糙率是一個(gè)綜合阻力系數(shù)，反映了計(jì)算河段的河床河岸阻力、河道形態(tài)變化、水流阻力及河道地形概化等因素的綜合影響，計(jì)算所采用的河道糙率為0.025。模型計(jì)算采用的時(shí)間步長(zhǎng)根據(jù)CFL(浮點(diǎn)數(shù))條件進(jìn)行選取，本次計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)取5s。

2.4 計(jì)算工況

計(jì)算工況考慮現(xiàn)狀及特大橋建成后2種工況，分別為：

工況1(現(xiàn)狀工況)：參考《連云港市排淡河(顧圩—開(kāi)發(fā)區(qū)段)整治工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告》，模型計(jì)算上邊界為20年一遇設(shè)計(jì)流量137m3/s，下邊界為20年一遇設(shè)計(jì)水位3.17m。河道規(guī)模采用現(xiàn)狀規(guī)模，河道內(nèi)考慮建有連霍高速排淡河橋及隴海鐵路橋。

工況2(工程建成后工況)：模型計(jì)算上邊界為20年一遇設(shè)計(jì)流量137m3/s，下邊界為20年一遇設(shè)計(jì)水位3.17m。河道規(guī)模采用現(xiàn)狀規(guī)模，河道內(nèi)除考慮建有連霍高速排淡河橋及隴海鐵路橋外，再新增建設(shè)D、E匝道橋。

2.5 計(jì)算結(jié)果

2.5.1 水位影響分析

為了分析工程實(shí)施前后水位的變化，在工程周邊選取10個(gè)水位監(jiān)測(cè)點(diǎn)(點(diǎn)位布置見(jiàn)圖2)，水位變化情況見(jiàn)表1。通過(guò)分析各監(jiān)測(cè)點(diǎn)工程實(shí)施前后水位的變化，來(lái)研究擬建工程對(duì)河道水位可能產(chǎn)生的影響。

圖2 對(duì)比點(diǎn)位置示意圖

表1 工程建成前后各對(duì)比點(diǎn)水位變化 單位：m

根據(jù)計(jì)算成果(見(jiàn)圖3、圖4)可知，工程建成后，E匝道墩前水位抬高0.012m，橋墩上游周邊其他區(qū)域水位抬高0.001～0.002m；D匝道墩前水位抬高0.008m,橋墩上游周邊其他區(qū)域水位抬高0.001m。點(diǎn)8、點(diǎn)9所在的鐵路橋中間2跨水位降低0.001～0.008m，鐵路橋靠近岸邊2跨水位抬高0.001～0.005m。

圖3 工程現(xiàn)狀水位計(jì)算成果

圖4 工程建成后水位計(jì)算成果

由此可知，工程建成后，除緊挨D、E匝道橋墩前水位抬高幅度較大外，其余位置處水位有抬高、有降低，總體變化幅度不大。

2.5.2 流速影響分析

工程建成前后各對(duì)比點(diǎn)流速變化情況見(jiàn)表2。由計(jì)算成果(見(jiàn)圖5、圖6)可知，工程建成后，E匝道墩前流速減少0.22m/s，橋墩上游周邊其他區(qū)域流速減少0.016～0.018m/s；D匝道墩前流速減少0.19m/s,橋墩上游周邊其他區(qū)域流速減少0.012～0.014m/s。鐵路橋中間2跨流速增加0.002～0.013m/s,鐵路橋靠近岸邊2跨流速減小0.015～0.021m/s。

圖5 工程現(xiàn)狀流速計(jì)算成果

圖6 工程建成后流速計(jì)算成果

表2 工程建成前后各對(duì)比點(diǎn)流速變化 單位：m/s

由此可知，工程建成后，除鐵路橋中間2跨流速增加外，其余點(diǎn)位流速均有所降低。

2.5.3 流場(chǎng)影響分析

由工程建成前后流場(chǎng)圖(見(jiàn)圖7、圖8)對(duì)比可知，工程建成后D、E匝道橋墩位置處流場(chǎng)有一定變化，受D匝道橋墩建設(shè)影響，點(diǎn)9所在的鐵路橋跨流場(chǎng)有一定變化，其余位置流場(chǎng)總體變化不大。

圖8 工程建成后流場(chǎng)計(jì)算成果

3 結(jié) 論

由二維水動(dòng)力模型計(jì)算成果分析可知，工程建成后，D、E匝道橋墩前水位抬高幅度較大，且流場(chǎng)有一定變化。受E匝道橋墩建設(shè)影響，鐵路橋中間2跨流速有所增加，且點(diǎn)9所在的鐵路橋跨流場(chǎng)有一定變化。流速、流場(chǎng)的變化勢(shì)必影響河勢(shì)穩(wěn)定及已有建筑物安全。

本文采用二維水動(dòng)力模型對(duì)橋梁處排淡河流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，且模型能夠較好地反映橋址處河道水位、流速等水力要素的變化情況，該方法能夠?yàn)楣こ探ㄔO(shè)前后影響分析提供理論依據(jù)和技術(shù)支持，有廣闊的應(yīng)用前景。