水動力模型在橋梁防洪影響分析中的應用

梁錦釗

（東莞市萬江水務工程運營中心,廣東 東莞 523050）

橋梁建設往往會占用河道斷面,致使河道行洪面積減少、過流能力下降[1]。同時,在橋墩前后局部形成雍高和旋渦滯留區(qū),引起水流流場變化,局部流速突變[2],這極易導致河床沖淤失衡。因此在橋梁規(guī)劃和設計階段,應對橋梁建設對河道行洪能力、河床沖淤和河勢影響作出分析評價。物理模型在評價分析過程中具有周期長、耗資大的缺陷,而經(jīng)驗公式法由于在整個斷面的概化使得計算成果精度不夠。數(shù)值模擬方法因成本低、周期短、通用性強成為防洪影響評價的重要研究手段。

1 基本概況

1.1 河道概況

項目區(qū)屬于東江三角洲河網(wǎng)區(qū),東江是珠江水系三大河流之一,發(fā)源于江西省尋鄔縣,上游稱鄔水,南流入廣東境內,至龍川合河壩匯安遠水（又名定南水）后稱東江。東江干流從東北向西南流動,干流至石龍全長250 km,流域總面積35340 km2。本工程坐落在東江南支流（萬江河段）,即大汾南水道,河段順直,河寬約100 m。

1.2 橋梁概況

擬建橋梁跨越東江南支流（萬江河段）,道路等級為Ⅲ級公路,橋梁全長389.536m,主橋寬度22 m,引橋寬度16 m,橋梁總面積7072.54 m2。擬建工程涉及河道及管理范圍橋墩共計5 排,單跨寬度35 m,其中3 排橋墩（5#～7#橋墩）布設于河道內,2 排橋（4#,8#橋墩）墩位于河道管理范圍內。橋梁線位與河道岸線基本垂直,橋墩順水流方向軸線與河道水流方向一致。擬建橋梁的設計防洪標準為100 年一遇,相應水位5.09 m,東江南支流（萬江河段）為Ⅶ級航道,防洪堤標準定為堤庫結合50 年一遇,相應的洪水位為4.85 m。

2 數(shù)學模型

2.1 基本方程

正交坐標系下的二維潮流控制方程如下：

其中,vt為紊動粘性系數(shù),即vt=au*H。公式中各參數(shù)可參照相應文獻,此處不再贅述。

2.2 計算方法

采用ADI 方法離散控制方程,

基本方程組采用ADI 法離散, 潮流連續(xù)方程和動量方程在n 層上x 向的離散格式整理如下：

式中：A、B、C、f、A1、B1、C1、f1、A2、B2、C2、f2等為離散系數(shù)。對離散后的基本方程組采用追趕法進行求解。

2.3 地形資料、模型范圍及網(wǎng)格劃分

二維數(shù)學模型地形資料采用實測地形。以橋幅中軸線上游510 m～下游460 m 作為二維數(shù)學模型計算區(qū)域的進口和出口斷面,計算長度為970 m,二維計算范圍見附圖1。二維計算以河道兩岸作為陸地邊界線。根據(jù)工程模擬計算經(jīng)驗,該計算范圍基本可以包括擬建大橋工程對工程所在河道行洪影響所及的范圍。

圖1 數(shù)學模型計算范圍圖

根據(jù)河道河勢實際和地形變化疏密設置網(wǎng)格大小,在擬建工程附近布設最密集,網(wǎng)格最大尺寸為2 m×4 m,最小尺寸0.75 m×1.5 m,共布置網(wǎng)格共700×40 個。模擬水域面積約0.1 km2。二維計算區(qū)域網(wǎng)格劃分見附圖2。

圖2 數(shù)學模型網(wǎng)格布置示意圖

2.4 計算過程

通過上述基本方程、求解方法和計算網(wǎng)格,即可進行程序的編制和調試,建立二維數(shù)學模型。在給定邊界和初始條件下,進行模型的率定和驗證以確定合適的計算參數(shù)后,就可進行具體設計工況的計算了。模型編程中變量皆采用雙精度實型量,各行洪影響計算水文組次中,時間步長為1 s,水位控制精度為0.001 m,流速控制精度為0.01 m/s。

2.5 動邊界的處理

對研究范圍內隨潮落潮漲而出沒的沙洲和灘地,計算時采用動邊界技術,即將落潮期間出露的區(qū)域轉化為灘地,同時形成新邊界；反之,將漲潮期間淹沒的灘地轉化成計算水域。

2.6 工程概化

合理概化擬建大橋結構要符合實際情況,則可獲得較精確的計算成果。對于擬建大橋布置在河道內的橋墩部分,將橋墩分布的二維計算網(wǎng)格作固化不過水處理。

2.7 計算工況

本次防洪評價研究主要包括兩種計算工況：

（1）工程前：在現(xiàn)有的情況下,研究工程附近水流動力條件特征。

（2）工程后：在工程前的基礎上,考慮明珠灣大橋的實施,研究工程實施后對水流動力條件的影響。

3 防洪影響要素評價

3.1 壅水分析計算

相對于天然河道,在P=1%、2%、5%不同設計頻率洪水條件下：擬建大橋上游水位壅高最大值分別為2.0 cm、1.7 cm、

1.6 cm,橋下水位跌落最大值分別為0.1 cm、0.1 cm、0.1 cm。

根據(jù)計算成果,在P=1%、2%、5%不同設計頻率洪水條件下,萬1#處水位壅高值已降至0.7 cm、0.6 cm、0.4 cm,萬2#水位壅高值已降至0.3 cm、0.2 cm、0.1 cm。

3.2 大橋工程對河道流態(tài)、流速的影響分析

根據(jù)二維水流數(shù)學模型計算成果,可以從流速的變化來定性分析工程建設前、后河床地沖淤變化。行洪影響二維數(shù)學模型計算結果數(shù)據(jù)量較大,為直觀起見,有針對性地選取有代表性的計算成果整理成圖表形式,再進行歸納、比較和分析。

取樣點布置見圖3。特征流速、流向變化統(tǒng)計成果見表1。

表1 取樣點洪水流速特性變化統(tǒng)計表（P=1%）

圖3 取樣點布置示意圖

從擬建大橋工程在各設計水文組合條件下的流速變化等值線分布圖可知：擬建大橋工程實施后,受橋墩疏水作用的影響,工程及橋中軸線上游400 m～下游300 m 一定范圍內,局部水動力條件會發(fā)生調整,對局部沖淤有所影響。

（1）大橋工程建設后,由于橋墩束窄了河道,這使得橋孔處的流速增加,增加值在0.01 m/s～0.6 m/s 之間。根據(jù)統(tǒng)計（見表1）,橋孔處的取樣點流速增加值在0.102 m/s～0.184 m/s之間,增幅在5.78%～22.43%之間。

（2）受大橋橋墩遮蔽影響,上游發(fā)生大洪水時,擬建大橋位于河道內的橋墩上、下游近區(qū)流速呈帶狀或梭形減小并逐漸衰減,流速減少值在0.01 m/s～0.2 m/s,向上、下游分別延伸約400 m 和300 m 后逐漸恢復至工程前狀態(tài),流速減小將導致水流挾沙能力降低,進而引起泥沙淤積。

（3）受橋墩束流作用影響,大橋下游河道兩岸流速增加,增加值0.01 m/s～0.6 m/s。河道下游左側流速增加范圍大于河道右側。

3.3 工程對河道水流動力軸線變化影響分析

水流動力軸線是指河道橫斷面垂線流速最大點的連線。從工程前后流速變化等值線圖可知,擬建工程建設后,水流仍主要在河槽區(qū)運行。根據(jù)工程前后水流動力軸線變化圖（圖4）,水流動力軸線最大變化值為1.8 m,位于擬建大橋工程下游附近。至二維數(shù)學模型計算上下游邊界處,水流動力軸線逐步恢復正常。

圖4 水流動力軸線變化圖

4 結語

本文構建了跨河橋梁河道平面二維流程數(shù)值模擬模型,模擬了不同洪水頻次條件下橋梁所在河段平面二維流程,以獲取橋梁建設前后水位、流速及水流動力軸線變化情況,為橋梁設計及行洪安全提供技術支撐。本文構建的數(shù)值模型,能夠有效應用于涉水橋梁的防洪影響評價,較為精確地反映橋墩附近水流形態(tài),保證了流場計算可靠性,具有較高的應用和推廣價值。