蚌埠淮河鐵橋壅水研究的回顧

毛世民 陳先樸

（安徽省·水利部淮委水利科學研究院 蚌埠 233000）

1 前言

蚌埠淮河鐵橋是千里淮河第一橋。由英國工程師設計，1908年開始查勘選址，經過對臨淮關、荊涂二山間及蚌埠三處進行比較后，選定河床有巖石出露的蚌埠北岸孫臺子到南岸小南山一線，采用固定式桁梁橋。設計橋長572m，9孔8墩，孔距61m，梁底高于設計水位10.7m。淮河比降平緩，建橋壅水延伸較遠。近30年來，從渦河口到沫河口40km河段已先后建起8座橋梁，還有幾座橋梁仍在規劃中。因而建橋壅水對防洪的影響受到關注，列為研究課題，開展原型觀測。老鐵橋所處河段的邊界條件和水流條件較為復雜，影響壅水的因素多。原型觀測難以“隔離”出橋墩壅水值，獲取有用信息。本文回顧有關研究概況，介紹鐵橋所處淮河蚌埠段的水流特性，提出用數學模型研究橋梁壅水和防洪影響評價的建議，供有關方面參考。

2 研究概況

1980 年，淮委規劃設計院用矩形河槽水流能量方程及已有的橋墩壅水研究成果，得出設計洪水下，蚌埠老鐵橋壅水0.11m，估計壅水影響可達正陽關，增加防汛壓力，消除這一壅水影響的河道整治工程（退堤、切灘）的土方量約400 萬 m3。

1986 年，安徽水科院進行了蚌埠老鐵橋氣流整體模型試驗、氣流斷面模型試驗和水流斷面模型試驗，三者成果基本一致，推算得出：蚌埠河段整治前，橋梁壅水為0.025m～0.04m，整治后為0.01m。

1997 年，安徽水科院淮河中游河床演變研究課題分析得出：鐵橋所處的淮河蚌埠段的中段，即席家溝至吳家渡長3.4km的河段，受深泓彎曲、巖基礁石挑流及橋墩阻水的共同作用，呈現流向偏斜、回流擠壓、單寬流量集中的復雜流態，導致局部損失增大，成為行洪的瓶頸，巖基礁石挑流的摩阻損失最大并增大橋墩阻水。

1997 年，安徽水科院淮河中游河床演變研究另一項課題“淮河蚌埠段水力特性數學模型研究”，限于當時臺式計算機的運算能力，沒有采用數學模型手段計算橋墩阻力，而是參考安徽水科院原有的物理模型研究成果，以加大鐵橋上下游河床糙率的方法考慮橋墩阻力影響。鐵橋下游100m范圍內糙率值按河床糙率的2倍計算，鐵橋上游礁石處糙率取0.06，使得數學模型計算的橋墩阻力與原有的物理模型研究成果基本一致。

1999 年，“淮河蚌埠段河道整治數學模型”，同樣沒有采用數學模型手段計算橋墩阻力，而是按照指定的每個橋梁壅水3cm，以加大橋梁上下游河床糙率的方法考慮橋墩阻力的影響。

2006 年以來，對蚌埠鐵路復線橋壅水進行了原型觀測，但沒有取得有實用價值的成果。

上述研究結果，不盡一致。研究的難度在于：（1）橋梁壅水受三維水流流態和橋墩形狀尺寸影響，其數值以mm計，對原型觀測和模型試驗的精度要求高；（2）橋梁壅水的防洪影響評價是針對大洪水，原型觀測只有遇到流量大于6000m3/s的水情才有意義，在預定的觀測期間，不一定能遇到這種水情，除非大洪水來臨時，組織觀測；（3）壅水受多種因素影響，原型觀測不能將橋梁壅水“隔離”出來；（4）研究壅水影響長度和對防洪影響，模擬的河段要有足夠的長度（上百公里），使用物理模型的費用很大；（5）用數學模型模擬橋墩形狀需提高計算機的運算能力和選取模型的計算參數。做好這項研究需要總結經驗，探討如何利用物理模型和數學模型相結合的途徑，或單獨依靠數學模型解決橋梁壅水問題以確定壅水高度、影響長度，評價建橋的防洪影響及需要采取的工程措施。

3 河道概況

淮河蚌埠段，上至蚌埠閘，下至龍子河口，長約12.4km，按照防洪規劃：設計洪水流量13000m3/s，吳家渡水位22.6m，蚌埠閘下水位23.1m；蚌埠閘下至吳家渡水位差0.5m；洪水水面比降0.0000555。為了達到規劃要求，需要實施退堤、切灘等一系列整治工作。

表1 矩形河槽壅水影響計算

河道自蚌埠閘下至席家溝為順直微彎，再下為兩個反向彎段，深泓線彎曲半徑分別為800m和3000m。按照河道形態可將這一河段分為上、中、下三段（圖1）。上段（蚌埠閘下至席家溝）長約5.6km；中段（席家溝～吳家渡）長約3.4km；下段（吳家渡～龍子河口）長約3.4km。枯水期水位低于13m時，可以看到鐵橋南岸有大片巖基礁石露出。實測河道地形圖顯示，鐵橋處在中段深坑中，最低點接近0高程。其上下游深泓高程在5m以上（圖2）。12m和10m等高線向北突出約100m（圖3），對于水流有類似丁壩的挑流作用，使南岸流向偏斜，伴有大片回流，導致單寬流量集中系數高達2.5～2.7。根據1972～1984年1#水尺（蚌埠閘下）、2#水尺（鐵橋上游1500m）、3#水尺（吳家渡）的觀測資料，洪峰附近的水面比降 ：1#～2#間 為 0.000034；2#～3#間 為0.000066；1996年加測鄭家渡水位（4#水尺），得到 3#～4#間水面比降為0.000056。這一組數據表明2#～3#間，即鐵橋上下約2.9km河段的局部摩阻集中，是行洪的瓶頸。

4 阻水因素分析

鐵橋河段的阻水因素主要有：主流彎曲、巖基礁石挑流、橋墩及斷面變化等。已有試驗研究表明，如來流均勻，老鐵橋壅水不超過2cm。鐵橋上下的高水位差是多項阻水因素綜合作用的結果，不能歸于橋墩壅水。巖基礁石挑流不僅本身摩阻損失大，而且造成流向偏斜及單寬流量集中，加大橋墩阻水和水流彎曲，是鐵橋河段壅水的主要成因。

參考有關丁壩壅水、橋墩壅水及彎曲段水力損失的研究成果，計及水流分布的不均勻性，粗略估算現狀邊界條件下通過Q=13000m3/s的局部摩阻損失：橋墩——0.04～0.05m；主流彎曲——0.04～0.05m；巖基礁石挑流——0.06～0.07m； 三 者 合計——0.14～0.17m。

5 壅水影響長度

壅水影響長度L隨壅水高△h。影響值△h、河段糙率n、坡降i、水深h、河寬B、流量Q等因素而變化，可通過數學模型確定。為了取得量的概念，陳先樸曾用概化的一維恒定緩變流運動方程估算。

舉例：對于流量Q=13000m3/s，河寬B=1000m,糙率n=0.025，計算的矩形河槽壅水影響長度見表1。

可見對于坡降平緩的淮河，壅水影響長度很大。多座橋梁的壅水影響值會產生疊加，對防洪的影響不容忽視。

6 橋墩壅水數學模型驗證計算

前幾年國內外橋梁壅水的數學模型比較粗糙，網格很粗，橋墩形狀達不到相似，不能準確模擬壅水高度。其壅水高度不是依靠數學模型計算得出，而是將數學模型計算的壅水高度湊到水力學計算公式或者物理模型試驗的成果上。當時的困難在于，要滿足一定計算精度必須劃分較密的網格，因此需要性能較高的計算機和較多的經費。

臺式計算機的進步，為單獨依靠數學模型解決橋梁壅水問題提供了可能。2009年，陳先樸為建議用數學模型研究淮河蚌埠段建橋的防洪影響進行了前期研究。通過加密橋墩附近計算網格（圖4），調整橋墩上游100m到下游200m范圍內的紊動粘性系數，取得的模擬流速分布、流速向量、流態、水位、水面線、壅水高度與二元水槽試驗成果一致（圖5～6）。說明目前使用普通臺式計算機，已經可以對淮河蚌埠段各個橋梁進行精確的模擬計算。對多座橋梁聯合作用下壅水影響范圍和消除影響的工程措施研究，如果使用高級計算機，也可以在同一個數學模型中完成。如果使用普通臺式計算機，則分別計算每個橋梁的壅水，然后用一般網格密度的河道數學模型，解決多座橋梁聯合作用下壅水影響范圍和消除影響的工程措施。在此數學模型上，橋梁用200m河段增大河床糙率代替，使各橋梁壅水與前面分別計算的精確橋梁壅水數學模型計算出來的結果一致，方法經濟、快速、靈活、精確。

7 結語和建議

蚌埠老鐵橋所處河段的邊界條件和水流條件比較復雜，增加了橋梁壅水研究的難度。要取得滿意的成果，必須與河道水流特性研究結合，采取合理的研究方法。原型觀測受多種因素的限制，得到的信息不多，難以將橋墩壅水從河段壅水中“隔離”出來；物理模型研究，要求正態或小變態、大比尺，如預報影響長度，模擬的河段很長，相應的費用較大；數學模型軟硬件的進步，為單獨依靠數學模型解決橋梁壅水問題提供可能，建議用于研究淮河老鐵橋與其他橋梁壅水和防洪影響評價