渭河典型河段橋梁群的河道影響研究

白少智，楊中華，路婷婷

（1.陜西省河流工程技術研究中心，陜西 西安710018；2.武漢大學，湖北 武漢430072）

目前，跨河橋梁是人類克服自然水體阻隔、擴大人類活動范圍的最經濟、最有效的途徑，但是建橋使得橋位河段的水沙運動及河床演變變得非常復雜[1]。把握水流、河床與橋渡之間的相互作用、相互制約關系，是橋渡設計的主要工作內容[2]。隨著渭河沿岸經濟社會的快速發展，跨河橋梁等涉河建筑物增加迅速，渭河下游個別典型河段橋梁密集，出現了橋梁群。由于橋梁墩臺壓縮了河道過水斷面，引起了橋位附近流速、流態變化，在一定范圍內引起橋前水位壅高等問題，產生河段內壅水疊加效應，對河道產生不利影響，加大了城市防洪壓力。

針對渭河下游典型河段橋梁群的河道影響，采用平面二維水流數學模型MIKE 21 FM模型對渭河典型河段橋群河道影響進行了數值模擬。整個計算區域采用三角形網格剖分，橋墩的模擬采用固壁邊界的形式，在每個橋墩位置進行局部加密，將計算網格在橋墩處縮小至橋墩大小尺度。模擬計算河段無橋群及有橋群兩種情況，對橋群修建前后橋墩局部水位、流速和壅水情況等的變化進行分析，提出了減輕跨河橋梁河道不利影響的主要措施，為后續跨河項目審批管理提供參考。

1 典型河段跨河橋梁概況

渭河下游渭淤35～渭淤37河段長8.9 km，共修建有9座跨河橋梁，橋梁平均間距達到0.99 km，是跨河橋梁分布最密集的河段，其中包含新建橋梁一座。此河段多數橋梁修建年份較早，橋墩以圓形和橢圓形為主，部分橋梁采用不同形狀橋墩相結合的形式，河段現狀防洪標準為100年一遇。

2 計算河段及網格劃分

2.1 計算河段及網格布置

綜合考慮擬建該段工程所在位置的河勢、工程修建后可能的影響范圍以及水文資料等，選取區域進口斷面在西蘭公路渭河橋（咸陽1號橋）上游4.26 km，出口斷面在渭河上林大橋下游3.53 km，計算區域全長15.95 km。計算河段地形采用實測的1∶5000河道地形圖，根據地形變化趨勢對局部缺失地形進行了插補。計算模型共設置66325個網格節點，185133個網格單元，模型范圍及網格見圖1整體網格圖。

圖1 整體網格圖

2.2 計算模型及方法

2.2.1 水流運動控制方程及定解條件

水流連續方程:

式中:z為水位；p、q 為 x、y方向單寬流量；h 為水深；s為源、匯項；six、siy為源；匯項在x、y方向的分量；c為謝才阻力系數；Ω為科氏力；E為渦粘擴散系數。

模型采用有限體積法求解。定解條件:包括初始條件與邊界條件。邊界條件為上游給定垂線平均流速沿河寬的分布，下游給出水位沿河寬的分布。對于岸邊界，則采用水流無滑移條件，即取岸邊水流流速為零。在計算時，由計算開始時刻上、下邊界的水位確定模型計算的初始條件，河段初始流速取為0，隨著計算的進行，初始條件的偏差將逐漸得到修正，其對最終計算成果的精度不會產生影響。

2.2.2 相關問題的處理

1）動邊界技術

由于計算區域中存在隨潮位漲落而變化的動邊界，為保證模型計算的連續性，采用“干濕處理技術”，當計算單元水深小于0.001m時，單元網格凍結，該單元不參加計算；當水深位于0.001m～0.01 m之間時，只求解連續性方程，不求解運動方程；當水深大于0.01 m時，該單元參加計算，求解連續性方程和運動方程。

2）模型參數取值

糙率系數:模型糙率系數的選取需經過模型的校驗確定。

渦粘系數根據Smagorinsky公式確定:

式中:u、v為x、y方向垂線平均流速，Δ為網格間距，Cs為計算參數，0.25＜Cs＜1.0。

計算時間步長:為保證滿足計算穩定收斂條件，最大時間步長取3 s。

3）橋墩的處理

為在數學模型中反映工程對河道水流的影響，一方面在網格剖分時盡可能在橋墩附近對網格進行局部加密，另一方面則將網格在橋墩處縮小至橋墩大小尺度，橋墩設置為橋墩當成不透水的固壁邊界處理。

2.3 模型率定與驗證

為驗證模型的準確性，采用實測斷面洪痕資料對模型計算結果進行驗證。咸陽站流量為3970 m3/s，出口邊界水位為379.30 m。驗證河段上個測點水位，結果見表1。表1給出了水文測驗期間工程河段水位實測成果與計算成果的比較。由表1可見兩者基本吻合，最大誤差為0.04 m。采用平面二維數學模型經率定后能較好地模擬本河段的水流運動特性，計算結果和實測成果吻合較好，可用于計算和分析工程修建對河段內水位、流速的影響。經上述率定可以得到本河段糙率系數為0.024～0.025。

表1 水位驗證計算成果 單位:m

3 計算分析

3.1 計算工況

根據工程行洪和河勢影響分析的需要，計算方案主要考慮渭河汛期高水位條件，同時也兼顧中水位下工程前后水位、流場變化。工程影響計算選取十年一遇洪水、百年一遇洪水水流條件進行計算分析，計算工況見表2。工程影響計算定解條件為進口給定流量、出口給定水位。

表2 計算工況

3.2 計算結果分析

3.2.1 工程前后水位變化分析

對于不同類型的橋墩，水位的變幅有所不同，但變化規律相同，由于工程對于河段的束窄作用，河道水位整體呈現上升趨勢。計算結果見圖2，結果表明，橋群河段呈現以各橋位為節點的水位壅高、降低的間歇式水位變化，水位壅高最大值出現在橋墩上游附近。該河段由于橋梁分布密集，橋墩個數較多，其對于河道過水面積和水面寬的影響較大，使得橋墩對于河段的束窄作用較為明顯，間距較近導致多個橋位橋墩的影響范圍有疊加效應，加劇了對于河段的影響。

圖2 百年一遇洪水條件下水位變幅圖

3.2.2 工程前后流速變化分析

工程修建后，由于橋墩附近的水流發生繞流，橋墩壁面由于阻水作用原本流速較大的水流均減速，且流向改變為貼壁流動。在橋墩上游區域內，因壅水導致水流流速減小，而在下游區域因阻水和擴散，水流流速也相應減小。由于橋墩擠壓水流，導致橋墩前沿的外側水流流速增大，橋墩后形成回流區，并產生渦旋。渦旋在一定程度上影響了墩臺的樁基穩定性及橋梁的安全[3]。在不同的上游來流條件下，流速的變化在定性上是一致的，但在定量上則有所不同。橋群河段橋墩分布較為密集，所以流速變幅較大，影響區域較廣。圖3和圖4是河段模擬計算的流速變化圖，計算可知，百年一遇洪水條件下，流速增加的最大值為0.65 m/s，流速減小的最大值為0.74 m/s。

3.2.3 壅水高度和壅水范圍分析

兩種計算工況下，每座橋梁上游河段均有不同程度的水位壅高和壅長，流量越大，橋墩的阻水作用越明顯，帶來的壅水范圍越大。由于橋群橋梁間的相互影響，橋梁間距較近時，水位壅高會產生疊加效應，導致橋群河段水位壅高幅度及壅水范圍加大。計算表明，橋前壅水高度與橋梁斷面壓縮比呈線性相關關系，橋位斷面壓縮比越大，則橋前壅水高度亦越大；斷面壓縮比與橋梁跨距、墩形尺寸密切相關。河段內水位雍高最大、雍高范圍最集中的區域均位于橋墩最密的橋梁斷面附近。計算可知，百年一遇洪水條件下，水位壅高最大值0.92 m，河段整體水位壅高大于0.355 m的河段長度為2650 m。

圖3 百年一遇洪水條件下流速變幅圖

圖4 百年一遇洪水條件下整體流場圖

4 結語

本文以渭河下游典型河段橋梁工程為例，以區域河段MIKE 21 FM模型為計算工具，分析了橋梁群對河道的影響。

研究表明，由于各橋位處墩臺對河道的束窄作用，橋群河段水位呈現以各橋位為節點的水位壅高、降低的間歇式水位變化，可能對局部河勢變化產生一定影響。橋前壅水高度與橋梁斷面壓縮比呈線性相關關系，而斷面壓縮比與橋梁跨距、墩形尺寸密切相關；加大跨距、減小墩形尺寸，是降低斷面壓縮比及橋前壅水高度的有效途徑。相比橢圓形和長方形橋墩，圓形橋墩對橋梁附近流場、河道行洪及橋梁墩臺安全的影響相對較小，建議今后橋梁建設中橋墩形式采用圓形為主。