感潮河段橋墩影響評(píng)價(jià)的高精度二維模擬

魏清福

(江蘇省太湖水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司上海分公司,上海 200434)

河道水域范圍內(nèi)設(shè)置橋墩后，造成河道的過(guò)水?dāng)嗝姘l(fā)生變化，進(jìn)而改變河道的水流條件，尤其是橋墩局部區(qū)域的水流條件。水流條件改變后，將引起河道形態(tài)做出相應(yīng)的調(diào)整，因此，有必要采取技術(shù)手段分析河道內(nèi)設(shè)置橋墩對(duì)河道水流的影響。MIKE 21模型長(zhǎng)期應(yīng)用于感潮河段潮波、潮流等特性的數(shù)值研究，并取得了大量的研究成果[1-3]。張震[4]通過(guò)二維水動(dòng)力學(xué)模型分析了商合杭鐵路淮河大橋建設(shè)對(duì)河段行洪的影響；楊新偉等[5]通過(guò)MIKE 21 FM模型分析了橋前壅水及流場(chǎng)變化，認(rèn)為采用數(shù)學(xué)模型來(lái)解決防洪影響評(píng)價(jià)的相關(guān)問(wèn)題是合理有效的；張慧等[6]以五峰山涉水橋梁為例，分析了HEC-RAS、MIKE 21及Hydro Info等不同模型的橋前壅水精度及適應(yīng)性；任錦亮等[7]運(yùn)用MIKE 21軟件對(duì)建橋前后水位變化情況進(jìn)行了數(shù)值模擬，并與經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較分析。目前，MIKE水動(dòng)力模型已在河道水流等多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[8-11]，可較好地反演河道水位變化情況，該模型可適用于河道水位及水動(dòng)力的模擬計(jì)算。但目前的研究成果多是分析涉水橋墩建設(shè)對(duì)河道整體水流的影響，而對(duì)橋墩局部區(qū)域未作細(xì)致分析。鑒于橋墩與河道平面尺度差異較大，模型網(wǎng)格的概化精度、橋墩輪廓的貼合程度都會(huì)對(duì)模型計(jì)算效率及成果造成影響，本文以跨黃浦江感潮河段的涉水橋墩為例，采用SMS軟件對(duì)橋墩局部區(qū)域的河道和地形進(jìn)行概化，采用MIKE 21 FM軟件對(duì)墩前壅水、流場(chǎng)變化等進(jìn)行計(jì)算分析，可為工程建設(shè)的涉水影響提供可靠依據(jù)，對(duì)合理開(kāi)發(fā)利用沿河水資源具有一定的現(xiàn)實(shí)意義，模型概化的處理方式亦可在涉河橋墩防洪評(píng)價(jià)計(jì)算中推廣使用。

黃浦江是長(zhǎng)江入海前的最后一條支流，是太湖流域主要排水河道，上接淀山湖、下經(jīng)吳淞口入長(zhǎng)江，發(fā)源于杭嘉湖平原東部區(qū)域和上海市西部的淀山湖。黃浦江潮汐為不規(guī)則半日潮，一天兩漲兩落，潮汐不等現(xiàn)象較為明顯。根據(jù)黃浦江潮汐特性，下游高潮位高于上游高潮位，下游低潮位低于上游低潮位。

1 模型的設(shè)置和驗(yàn)證

1.1 模型網(wǎng)格

涉河橋墩所在河道寬約400m，橋墩為圓端形，尺寸為21m×46m。模型概化河道長(zhǎng)度約40km，上游邊界與橋墩的距離約25km，下游邊界與橋墩的距離約15km，見(jiàn)圖1。

圖1 計(jì)算范圍和網(wǎng)格圖

模型采用三角形網(wǎng)格對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行剖分。模型網(wǎng)格從邊界至橋墩區(qū)域逐漸加密，網(wǎng)格邊長(zhǎng)最小為1m，網(wǎng)格的逐漸加密可消除因網(wǎng)格突變而引起的數(shù)值耗散；橋墩局部區(qū)域網(wǎng)格加密可增加模型網(wǎng)格與橋墩輪廓的貼合程度，提高計(jì)算精度，見(jiàn)圖2。

1.2 模型設(shè)置

橋梁跨越河段缺少實(shí)測(cè)水文資料，本次采用橋梁上游實(shí)測(cè)水文資料對(duì)模型計(jì)算參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證，主要包括各水文測(cè)點(diǎn)的水位、流速、流向?qū)崪y(cè)資料，水文測(cè)點(diǎn)位置見(jiàn)圖3。上下游邊界采用實(shí)測(cè)潮位資料。

圖3 水文測(cè)點(diǎn)位置示意圖

各點(diǎn)潮位驗(yàn)證過(guò)程見(jiàn)圖4。由圖4可知，計(jì)算潮位與實(shí)測(cè)潮位總體上吻合程度良好，兩者平均相差5cm，高低潮時(shí)間的相位偏差在±0.5h以內(nèi)，潮位變化能較好地體現(xiàn)漲落潮的日變化。

圖4 模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值對(duì)比情況

各點(diǎn)垂線的平均流速驗(yàn)證過(guò)程見(jiàn)圖5、圖6。由圖5、圖6可知，計(jì)算流速、流向過(guò)程線與實(shí)測(cè)值基本吻合，計(jì)算漲落潮時(shí)段平均流速與實(shí)測(cè)值平均偏差不超過(guò)10%，憩流時(shí)間和最大流速出現(xiàn)時(shí)間與實(shí)測(cè)值的偏差在0.5h以內(nèi)，漲落潮歷時(shí)、漲落急出現(xiàn)的時(shí)刻與實(shí)測(cè)值基本一致，深槽區(qū)域的流速驗(yàn)證情況較岸灘區(qū)域好。

圖5 3A至3C各測(cè)點(diǎn)的流速、流向驗(yàn)證過(guò)程

圖6 4A至4C各測(cè)點(diǎn)的流速、流向驗(yàn)證過(guò)程

以上驗(yàn)證結(jié)果表明，模型計(jì)算的水位、流速和流向與實(shí)測(cè)值吻合程度良好，說(shuō)明計(jì)算參數(shù)選擇合理，模型能夠較好地反演黃浦江河道潮波傳播特性。模型的計(jì)算精度基本符合《海岸與河口潮流泥沙模擬技術(shù)規(guī)程》(JTS/T 231-2—2010)中的要求，可以用來(lái)進(jìn)行工程方案的數(shù)值計(jì)算。

2 模型成果分析

2.1 水位的影響分析

建橋后，漲潮時(shí)，橋墩上游受橋墩阻水影響水位略有降低，下游近橋墩端點(diǎn)處受漲潮流影響水位壅高，橋墩上游2km以上區(qū)域及下游2km以上區(qū)域水位變化均小于0.5mm，見(jiàn)圖7。上游近橋墩端點(diǎn)處水位降低約為1.0mm，隨著與橋墩端點(diǎn)距離的增加，水位降低幅度先減小后略有增大；下游近橋墩端點(diǎn)處水位壅高約10.0mm，隨著與橋墩端點(diǎn)距離的增加，水位壅高值逐漸減??；橋墩兩側(cè)水位略有降低，近橋墩局部區(qū)域水位降低幅度大于10.0mm，遠(yuǎn)橋墩區(qū)域水位降低幅度小于0.5mm。漲潮時(shí)橋墩上下游臨近區(qū)域的水位變化情況見(jiàn)表1。

圖7 建橋前后高潮位差值

建橋后，落潮時(shí)，橋址上游受橋墩阻水影響水位略有壅高，壅高幅度為1.0～3.0mm，至河道上游轉(zhuǎn)彎處水位壅高幅度小于0.5mm，下游2km以上區(qū)域水位變化小于0.5mm，見(jiàn)圖8。橋墩端點(diǎn)附近上、下游水位均略有壅高，上游水位壅高的主要原因是橋墩阻水影響，而橋墩下游局部區(qū)域水位壅高主要是由橋墩阻擋作用導(dǎo)致的橋墩后側(cè)落潮流滯后造成的。上游近橋墩端點(diǎn)處水位壅高超過(guò)30.0mm，隨著與端點(diǎn)距離的增加，水位壅高值逐漸減??；下游近橋墩端點(diǎn)處水位壅高約為5.0mm，隨著與端點(diǎn)距離的增加，水位壅高值逐漸減??；橋墩兩側(cè)水位略有降低，近橋墩局部區(qū)域水位降低幅度大于30.0mm，遠(yuǎn)橋墩區(qū)域水位降低幅度小于2.0mm。落潮時(shí)橋墩上、下游臨近區(qū)域的水位變化情況見(jiàn)表1。

圖8 建橋前后低潮位差值

表1 建橋前后典型點(diǎn)位的潮位變化統(tǒng)計(jì)

2.2 流場(chǎng)的影響分析

建橋后，漲急時(shí)刻，橋墩外圍大范圍流場(chǎng)無(wú)明顯差異，與建橋前基本一致，見(jiàn)圖9。橋墩局部區(qū)域流場(chǎng)略有差異，橋墩上、下游局部區(qū)域水流由于受到橋墩阻水影響，下游漲潮水流向兩側(cè)偏轉(zhuǎn)，而上游水流則沿著橋墩弧形端向中間偏轉(zhuǎn)，橋墩左右兩側(cè)水流流向與建橋前基本一致，流速量值略有增加。

圖9 建橋前后漲急流場(chǎng)

建橋后，落急時(shí)刻，橋墩外圍大范圍流場(chǎng)無(wú)明顯差異，與建橋前基本一致，見(jiàn)圖10。橋墩局部區(qū)域流場(chǎng)略有差異，橋墩上、下游局部區(qū)域水流由于受到橋墩阻水影響，上游落潮水流向兩側(cè)偏轉(zhuǎn)，而下游水流則沿著橋墩弧形端向中間偏轉(zhuǎn)，橋墩左右兩側(cè)近橋墩區(qū)域水流流向略向外側(cè)偏轉(zhuǎn)，外側(cè)水流流向與建橋前基本一致，流速量值略有增加。

圖10 建橋前后落急流場(chǎng)

建橋后，漲急時(shí)刻，橋墩上、下游流速均略有減小，上游漲急流速減小幅度略大于下游，上游端點(diǎn)局部區(qū)域漲急流速的減小幅度超過(guò)30cm/s，隨著距離的增加，漲急流速的減小幅度逐漸收斂，下游端點(diǎn)區(qū)域漲急流速的減小幅度超過(guò)6cm/s，隨著距離的增加，其減小幅度迅速收斂；橋墩左右兩側(cè)漲急流速略有增加，近橋墩區(qū)域流速增加幅度較大，橋墩兩側(cè)河道主槽區(qū)域流速增加幅度約為2～4cm/s，見(jiàn)圖11(a)。漲潮時(shí)橋墩上下游臨近區(qū)域的流速變化情況見(jiàn)表2，由表2可知，橋墩上游區(qū)域，橋墩端點(diǎn)處流速減小56.46cm/s，距離橋墩端點(diǎn)約400m處流速僅減小2.82cm/s；橋墩下游區(qū)域，橋墩端點(diǎn)處流速減小44.56cm/s，距離橋墩端點(diǎn)約400m處流速僅增加0.01cm/s。

表2 建橋前后典型點(diǎn)位的流速變化統(tǒng)計(jì)

建橋后，落急時(shí)刻，橋墩上、下游流速均略有減小，上游落急流速減小幅度略小于下游，上游端點(diǎn)局部區(qū)域落急流速的減小幅度超過(guò)10cm/s，隨著距離的增加，其減小幅度逐漸收斂，下游近端點(diǎn)區(qū)域落急流速的減小幅度超過(guò)30cm/s，隨著距離的增加，其減小的幅度迅速收斂；橋墩左右兩側(cè)落急流速略有增加，近橋墩區(qū)域流速增加幅度較大，橋墩兩側(cè)河道主槽區(qū)域流速增加幅度約為4cm/s，見(jiàn)圖11(b)。落潮時(shí)橋墩上、下游臨近區(qū)域的流速變化情況見(jiàn)表2，由表2可知，橋墩上游區(qū)域，橋墩端點(diǎn)處流速減小61.96cm/s，距離橋墩端點(diǎn)約同400m處流速僅減小0.03cm/s；橋墩下游區(qū)域，橋墩端點(diǎn)區(qū)域流速減小88.60cm/s，距離橋墩端點(diǎn)約400m處流速僅減小3.6cm/s。

圖11 建橋前后漲急、落急流速差值圖(單位:cm/s)

3 結(jié) 語(yǔ)

本文以黃浦江感潮河段涉河橋墩為例，采用SMS軟件對(duì)橋墩局部區(qū)域網(wǎng)格進(jìn)行逐步加密，模型計(jì)算成果能較好地反映橋墩局部區(qū)域水位和流場(chǎng)的變化情況。通過(guò)對(duì)計(jì)算成果的分析可以看出，涉河橋墩建設(shè)會(huì)造成橋墩局部區(qū)域水位壅高，橋墩所在河道斷面流速增加，但影響范圍較小，一般不會(huì)對(duì)整體河段水流產(chǎn)生明顯影響。模型概化的處理方式可在涉河橋墩防洪評(píng)價(jià)計(jì)算中推廣使用。