二維數值模擬在多橋梁河段通航安全評價中的應用

宋禹辰 吳宇紅 梁一星

摘要：“夜游陸水河”是湖北省赤壁市政府大力推動的城區旅游項目。陸水河城區河段建有多座橋梁，這些橋梁大多興建于20世紀，年代久遠，修建時未能考慮到航運發展需求，對船舶通航造成嚴重的安全影響。鑒于此，建立了陸水大壩一京港澳高速橋河段二維數學模型，概化橋墩、碎石等礙航結構，并結合赤壁市水文站50a統計資料，綜合考慮桂家畈樞紐、節堤樞紐等航電樞紐的調度規律，計算不同工況下項目河段橋梁對船舶通航的影響，并對旅游航線開放時間提出建議。

關鍵詞：多橋梁河段;二維數學模型;通航安全評價;赤壁市

中圖法分類號：U442.3文獻標志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2019.05.012

橋梁與航道均為公共交通基礎設施，跨河橋梁對航道條件的影響不容忽。但由于交通規劃、城市發展等原因，我國歷史上跨河橋梁的興建往往忽略了其對航道的影響。“夜游陸水河”是湖北省赤壁市旅游局近期大力推動的城區旅游項目。陸水河城區河段建有多座橋梁，年代久遠，大部分橋梁均存在跨徑不足、間距不夠等問題，不滿足GB50139-2014《內河航道通航標準》要求，對航運發展產生不利影響。由于交通規劃、城市發展等歷史原因，該河段還存在廢棄的橋墩、水利設施和碎石等礙航物，給船舶通航帶來嚴重的安全隱患。

1項目概況

“夜游陸水河”航線起于陸水河陸水大壩下游500m，至京港澳高速橋終止，全長約6km，規劃航線如圖1所示。根據相關規劃，夜游船舶采用30客位的畫舫定制船型：18.0mx4.5m×1.1m（長×寬×吃水），每天安排3-5班次。

1.1通航環境

項目河段通航環境較為復雜，具體如下。

（1）航線內需跨越9座橋梁，自上而下分別為南環橋、鐵路二橋、鐵路一橋、東洲大橋、步行橋、赤壁一橋、赤壁二橋、武廣高鐵橋和京港澳高速橋，各橋梁概況見表1。

（2）由于歷史原因，項目河段河道內存在廢棄的橋墩、橡膠壩水泥墩和部分碎石等礙航物，如圖2所示。其中：①廢棄的橋墩位于鐵路二橋上游200m，為1930～1945年問所建橋梁廢棄遺留。②陸水河橡膠壩位于武廣高鐵橋下游200m，建于2011年，目的是抬高城區水位、美化景觀;2014年下游節堤樞紐投入使用后，該橡膠壩不再擋水，基本處于廢棄狀態，目前橡膠壩水泥中墩立于河道中。③赤壁一橋、鐵路二橋一東洲大橋橋墩附近存在部分碎石。

（3）新中國成立以來，陸水河上陸續修建了多座水利樞紐，其中項目河段上游建有陸水河桂家畈樞紐，下游建有陸水節堤樞紐，如圖3所示。其中：①桂家畈樞紐（陸水大壩）。位于項目河段起點上游約500m，是新中國成立初期為三峽樞紐建設提供建設經驗的“三峽試驗壩”，1967年投入使用。樞紐正常蓄水位為54-55m（1985國家高程，下同），正常蓄水時可回水至上游崇陽縣城，最大發電流量為248m/s。②節堤樞紐。位于項目河段終點京港澳高速橋下游約25.5km，2014年建成投入使用。樞紐正常蓄水位為26.46m，正常蓄水時可回水至上游桂家畈樞紐壩下，最大發電流量為144m/s。對節堤樞紐而言，當壩前來流量≤144m/s時，庫水位維持在正常蓄水位26.46m;當144m/s<壩前來流量<600m/s時，水庫仍維持在正常蓄水位26.46m運行，大于水輪機引用流量部分的入庫流量，通過閘門下泄;當來流量≥600m/s，所有來流量通過閘門下泄。

1.2項目存在的主要問題

對于“夜游陸水河”項目航線規劃而言，存在的主要問題如下。

（1）工程河段處于上游桂家畈樞紐和下游節堤樞紐之間，二者的調度方案對項目河段的水流條件影響很大;

（2）工程河段建有多座橋梁，尤其是東洲大橋一鐵路二橋河段，存在橋梁間距不足及河道內礙航碎石、廢棄橋墩等問題，導致該區域內流態紊亂，對船舶操作要求較高;

（3）步行橋一武廣高鐵橋河段為兩個連續的反向彎道，彎曲半徑分別為950m和550m，彎曲角度均約為90°。彎曲河道上下游各個橋梁的通航孑L橋墩不能嚴格對應，影響了航路的走向，且多橋梁河段過大的彎道角度會使船舶航行視線受阻、給駕駛員帶來操作障礙。

2平面二維水流模型

一般而言，對于順直河道，平面二維水流模型模擬精度較高。對于彎曲河道，要考慮水流入灣因離心力造成的環流影響。但陸水河夜游項目河段上游建有桂家畈樞紐，樞紐運營了50余年，攔蓄了大部分泥沙，工程河段基本達到沖淤平衡;且工程河段河寬均大于300m，相對于河段平均4m的水深而言，彎道環流作用微弱。因此，該次平面二維水流模型的建立不考慮環流作用的影響。

從Reynolds方程出發，考慮到工程所在河段水平尺度遠大于垂直尺度，水力參數在垂直方向的變化明顯小于水平方向的變化，可忽略垂向加速度，設定壓強服從靜水分布;不計垂直方向的流動時間和空間的微分，將方程沿水深積分;根據Bousinesq假設，用渦粘系數表示Reynolds應力項，可得到平面二維的河道水流運動控制方程如下。

在上述運動方程中，左端項是對流項，右端項包括壓力項、紊動擴散項和包含切應力和科氏力在內的外力項，考慮了河道水體的紊動影響和底摩阻作用。

2.2網格劃分

模型計算選取2018年10月陸水河項目河段實測地形資料，選取了上下游共7km河段作為模型控制河段，模型進口為桂家畈樞紐大壩電站廠房出水口，河面寬闊，水流穩定，模型出口位于項目河段終點京港澳高速橋下游500m處，該處河段為一條近2 km的順直河段，基本可以忽略模型出口對工程河段的影響。

模型采用正三角形有限單元對計算區域進行離散，同時對項目河段橋墩、水泥墩、碎石等礙航物進行局部加密，充分描述河道邊界和河道中水工建筑物的邊界，有效保證計算精度。

2.3模型驗證

節堤樞紐建成后，進行了常年回水區的水位觀測，觀測點均勻分布于河道兩岸，間距400-500m。為了驗證模型的精度，該次數模搜集了節堤樞紐建成后項目河段平均流量（Q=93.8m/s）時的回水資料。考慮到項目河段位于下游節堤樞紐常年回水區內，流速很小，故項目河段沒有設置測流斷面，該模型驗證以水位為準。模型驗證情況如表2所示，整個項目河段模型驗證誤差在0.02-0.04m內，由此可見水位驗證結果較好，基本達到模型精度要求。

3工程計算

3.1

計算工況

該次數模以桂家畈樞紐下游2.4km的蒲圻水文站1953—2012年的水位流量關系作為水文基礎資料，擬定了兩種工況來對項目河段水流進行計算分析。工況1項目河段來流量達到多年平均流量，工況2項目河段來流量達到上游桂家畈樞紐最大發電流量。上述兩種情況時，下游節堤樞紐均處于正常蓄水狀態，項目河段位于節堤樞紐常年回水區內，工況詳情見表3。

3.2工程概化

為了保證模型的穩定性，同時兼顧沿程橋梁、廢棄水工建筑物等對水流條件的影響，在網格劃分方面對項目范圍內的局部地形進行了網格加密處理，并概化和修正了涉及影響通航的橋墩、水泥墩、碎石等。

3.3結果分析

3.3.1橫流分析

根據《內河通航標準》要求，對于通航河段，航道范圍中橋梁上游3倍代表船型長度內，橫流不應大于0.3m/s。上述2種工況下橫流計算統計見表4。

由表4可知，項目河段處于多年平均流量時，每個橋梁橋區附近河段的橫流均滿足航行要求，而當項目河段遭遇上游桂家畈樞紐最大發電流量時，東洲大橋附近最大橫流達到了0.32 m/s。結合流場圖整體來看，桂家畈樞紐正常發電時，項目河段航線范圍內總體水流流態較好、流速適中，橫流大小基本滿足通航安全要求。

3.3.2通航凈空寬度分析

水流條件對橋梁通航凈空尺度影響主要體現在通航凈空、寬度方面。對于項目河段的9座橋梁及廢棄的橡膠壩和橋墩等礙航物，此次凈寬計算分析參照了上述二維數學模型計算成果，綜合考慮橋軸線布置與河道夾角大小、通航孔設置、橫流加寬以及橋墩周圍碎石礙航等因素，針對夜游航線實際畫舫船型嚴格按照《內河通航標準》的規定，計算了每個橋梁及礙航物的最小通航凈寬和實際通航凈寬，以保證畫舫船舶安全通航，具體情況見表5。

由表5可知，在桂家畈樞紐最大發電流量下，上述9座橋梁及2個河道內的礙航物實際通航凈寬均能夠滿足畫舫船舶在該河段航行所需最小通航凈寬，可確保畫舫船舶的安全航行。

4工程合理性分析

（1）對橫流大小的分析。在桂家畈樞紐最大發電流量下，項目河段航線范圍內總體水流流態較好、流速適中，橫流大小基本滿足通航安全要求，僅在東洲大橋處橫流略大于0.3m/s。在采取相應的通航安全保障措施下，該河段的通航安全可以得到保障。

（2）對通航凈寬的分析。對于項目河段的橋梁和礙航物，在桂家畈樞紐最大發電流量下，通航凈寬均能夠滿足《內河通航標準》中相關規定計算的最小凈空寬度要求。

（3）對通航時段的分析。據統計，桂家畈樞紐每年泄洪時間不到全年的10%，90%以上時間正常發電。綜合考慮航行安全、經濟效益等因素，航線安全運營期擬定為每年桂家畈樞紐正常發電期。

（4）橋梁區彎曲河道對航路的影響。主要是視覺受限帶來的船舶操作困難，工程可以使用在水上設立助航標、海事管制等方法來保障船舶航行安全。

5結語

赤壁市陸水河城區河段夜游項目航線經過多座橋梁，水流條件較為復雜。本文有針對性地建立了項目河段平面二維水流數學模型，通過驗證后模型能夠解決通航論證中沿程橋梁對畫舫船舶通航安全的影響性分析。結果表明，在上游桂家畈樞紐正常發電時，項目河段水流條件基本能夠保證畫舫船舶的安全航行，河段內的9座橋梁凈寬尺度均能滿足《內河通航標準》的相關規定，建議該夜游項目航線運營期擬定為每年桂家畈樞紐的正常發電期，同時認真配布水上助航標志，確保船舶的航行安全。