二維水動力模型在多座橋梁行洪影響分析中的應用

(連云港市水利規劃設計院有限公司，江蘇 連云港 222000)

隨著工程建設的發展，模型被應用到越來越廣闊的領域中。目前，常用的模型軟件有MIKE 21、Fvcom等。Fvcom軟件主要應用于學術研究，MIKE 21主要用來解決工程實際問題，且界面友好。

MIKE 21是一個專業的工程軟件包，用于模擬河流、湖泊、河口、海灣、海岸及海洋的水流、波浪、泥沙及環境等。MIKE 21為工程應用、海岸管理及規劃提供了完備、有效的設計環境。MIKE 21在我國應用的非常廣泛，典型的大江大河都在應用MIKE 21軟件包中不同的模塊和工具解決相關的問題，采用該軟件參與的項目主要有長江口水動力學、鹽度模擬、 珠江口水流和泥沙模擬、 渤海灣水流和波浪模擬、嘉陵江重慶段水流模擬等。

MIKE 21主要包括前后處理、水動力學、水質和環境評價、泥沙傳輸四大模塊。本工程主要應用水動力學模塊，分析多座橋梁建設后橋下水流的疊加影響及變化情況，為工程建設提供依據。

連云港市地處我國沿海中部的黃海之濱，位于江蘇省東北部，隴海鐵路東端，東瀕黃海，具有海運、陸運、空運相結合的優勢，是我國溝通東西、連接南北的一個重要戰略樞紐。新墟互通位于連云港市區，是連霍高速與港城大道交叉節點。新墟互通作為高速公路和城市快速路的交叉節點，現狀具備第四象限的轉換服務能力，未來無法滿足該節點將承擔的更重要、更多樣化的路網轉換需求。基于以上考慮，相關部門實施建設連云港市港城大道快速化改造——連霍高速新墟互通新增匝道工程。

工程擬在連霍高速跨排淡河橋東側新建D匝道、西側新建E匝道。新建D匝道下游緊鄰現狀隴海鐵路，工程至排淡河處從西到東依次有E匝道、連霍高速、D匝道、隴海鐵路橋。4座橋梁壅水相互疊加影響，影響行洪能力。本文利用二維水動力模型進行數值模擬，分析匝道建設后對排淡河的過流影響。

1 基本情況

1.1 河道概況

排淡河位于連云港市東部城區，河道從顧圩門節制閘到大板跳閘全長17.3km，主要功能為防洪、治澇、供水。本工程新建橋梁處排淡河現狀河底高程約0m，底寬約18m，邊坡比約1∶3。河道兩岸堤防不明顯，左岸地面高程為3.2～4.0m，右岸地面高程為3.8～4.2m。

1.2 橋梁概況

E匝道7～10號墩(橋跨布置為2.0m×35.0m+31.8m)段橋梁跨越排淡河。7～9號橋墩與連霍高速橋墩對孔布置，7號橋墩布置在排淡河左岸，8號橋墩布置在河底，9號、10號橋墩布置在河道右岸。橋梁平面布置圖見圖1。

連霍高速公路跨排淡河橋梁為預應力混凝土組合箱梁，先簡支后連續結構。上部結構為簡支變連續組合箱梁，由4片箱梁組成。下部結構為蓋梁柱式墩，鉆孔灌注樁基礎，蓋梁寬1.8m、高1.6m、長12.1m，直徑1.5m墩柱，直徑1.6m樁基。

D匝道12～15號墩(橋跨布置為40.0m+2.0m×32.5m)段橋梁跨越排淡河。12號橋墩布置在排淡河右岸，13號橋墩布置在現狀河底，14號、15號橋墩布置在排淡河左岸。D匝道、E匝道橋墩均設系梁，采用鉆孔灌注樁基礎，跨河橋墩均采用直徑1.5m圓柱接直徑1.6m樁基。

隴海鐵路跨排淡河橋，橋跨布置為4.0m×16.6m，1號、2號、3號橋墩位于排淡河現狀河道內，橋墩承臺頂高程分別為-0.64m、-2.14m、-0.64m，承臺均高2.00m。

2 橋梁壅水分析

2.1 計算原理

模型系統建立在基于Boussinesq假定和流體靜壓假定的二維/三維不可壓縮雷諾時均N-S方程的數值解的基礎上。它由連續性方程、動量方程、溫度方程、鹽度方程和密度方程組成，并通過一個湍流解決方案將方程組閉合。對于水平尺度遠大于垂直尺度的情況，由于水深、流速等水力參數沿垂直方向的變化比沿水平方向的變化要小得多，因此，將三維流動的控制方程沿水深積分，并取水深平均值，可得到沿水深平均值的二維淺水流動質量和動量守恒控制方程組。下面的控制方程均在笛卡兒坐標系(平面直角坐標系)下給出。

連續性方程：

x方向動量方程和y方向動量方程分別為

原始控制方程在空間上的離散方法采用基于單元中心的有限體積法，整個計算域細分成互不重疊的單元。在二維模型中，網格單元可以是三角形或者四邊形單元。控制方程采用隱式交替方向ADI(Alternating Direction Implie)技術對潮流模型質量和動量方程進行離散，所得的矩陣方程用追趕法(Double Sweep)求解。各微分項和重要系數均采用中心差分格式，防止離散過程中可能發生的質量和動量失真及能量失真。Taylor級數展開的截斷誤差可達到二階至三階精度。

2.2 計算范圍

計算范圍：隴海鐵路橋上游2.64km至下游0.20km處，模擬河段全長約2.66km。模型范圍包含上下游兩個邊界外。

網格劃分：采用無結構三角形網格剖分，邊長一般為1～10m，項目區位置處加密為1～2m，網格數為17383個，節點數為5894個。

2.3 模型參數

二維數學模型計算涉及的主要參系數有河道糙率和計算時間步長等。河道糙率是一個綜合阻力系數，反映了計算河段的河床河岸阻力、河道形態變化、水流阻力及河道地形概化等因素的綜合影響，計算所采用的河道糙率為0.025。模型計算采用的時間步長根據CFL(浮點數)條件進行選取，本次計算時間步長取5s。

2.4 計算工況

計算工況考慮現狀及特大橋建成后2種工況，分別為：

工況1(現狀工況)：參考《連云港市排淡河(顧圩—開發區段)整治工程初步設計報告》，模型計算上邊界為20年一遇設計流量137m3/s，下邊界為20年一遇設計水位3.17m。河道規模采用現狀規模，河道內考慮建有連霍高速排淡河橋及隴海鐵路橋。

工況2(工程建成后工況)：模型計算上邊界為20年一遇設計流量137m3/s，下邊界為20年一遇設計水位3.17m。河道規模采用現狀規模，河道內除考慮建有連霍高速排淡河橋及隴海鐵路橋外，再新增建設D、E匝道橋。

2.5 計算結果

2.5.1 水位影響分析

為了分析工程實施前后水位的變化，在工程周邊選取10個水位監測點(點位布置見圖2)，水位變化情況見表1。通過分析各監測點工程實施前后水位的變化，來研究擬建工程對河道水位可能產生的影響。

圖2 對比點位置示意圖

表1 工程建成前后各對比點水位變化 單位：m

根據計算成果(見圖3、圖4)可知，工程建成后，E匝道墩前水位抬高0.012m，橋墩上游周邊其他區域水位抬高0.001～0.002m；D匝道墩前水位抬高0.008m,橋墩上游周邊其他區域水位抬高0.001m。點8、點9所在的鐵路橋中間2跨水位降低0.001～0.008m，鐵路橋靠近岸邊2跨水位抬高0.001～0.005m。

圖3 工程現狀水位計算成果

圖4 工程建成后水位計算成果

由此可知，工程建成后，除緊挨D、E匝道橋墩前水位抬高幅度較大外，其余位置處水位有抬高、有降低，總體變化幅度不大。

2.5.2 流速影響分析

工程建成前后各對比點流速變化情況見表2。由計算成果(見圖5、圖6)可知，工程建成后，E匝道墩前流速減少0.22m/s，橋墩上游周邊其他區域流速減少0.016～0.018m/s；D匝道墩前流速減少0.19m/s,橋墩上游周邊其他區域流速減少0.012～0.014m/s。鐵路橋中間2跨流速增加0.002～0.013m/s,鐵路橋靠近岸邊2跨流速減小0.015～0.021m/s。

圖5 工程現狀流速計算成果

圖6 工程建成后流速計算成果

表2 工程建成前后各對比點流速變化 單位：m/s

由此可知，工程建成后，除鐵路橋中間2跨流速增加外，其余點位流速均有所降低。

2.5.3 流場影響分析

由工程建成前后流場圖(見圖7、圖8)對比可知，工程建成后D、E匝道橋墩位置處流場有一定變化，受D匝道橋墩建設影響，點9所在的鐵路橋跨流場有一定變化，其余位置流場總體變化不大。

圖8 工程建成后流場計算成果

3 結 論

由二維水動力模型計算成果分析可知，工程建成后，D、E匝道橋墩前水位抬高幅度較大，且流場有一定變化。受E匝道橋墩建設影響，鐵路橋中間2跨流速有所增加，且點9所在的鐵路橋跨流場有一定變化。流速、流場的變化勢必影響河勢穩定及已有建筑物安全。

本文采用二維水動力模型對橋梁處排淡河流場進行數值模擬，且模型能夠較好地反映橋址處河道水位、流速等水力要素的變化情況，該方法能夠為工程建設前后影響分析提供理論依據和技術支持，有廣闊的應用前景。