新建水壩對山區大跨度橋梁風環境的影響研究

王典斌

(中鐵二院工程集團有限責任公司，四川 成都 610031)

0 引 言

隨著《交通強國建設綱要》的頒布和推進，西部山區將修建更多大跨度橋梁以滿足交通網絡建設的需求。我國西部海拔明顯高于東部，河流流向多為由西向東，由于西部山區的海拔變化顯著、河流落差大，是水電站建設的有利地點。隨著大型水電站的修建，壩址上游水位顯著抬高，上游水體面積增大，導致原來低于庫區水位的壩體上游峽谷溝壑地貌被水淹沒。水壩不但會改變峽谷的原始地貌，也會使峽谷內的風環境發生改變[1]。當大跨度橋梁跨越大壩庫區時，水壩可能會對橋梁抗風穩定性能造成未知的影響[2，3]。

數值風洞方法(CFD)因其流場可視化和經濟性被廣泛用于模擬山區河谷等復雜地形的三維風場[4-10]。文獻[4]采用多種湍流模型，對6.9 km×10.1 km范圍的地形進行研究，并跟現場實測的結果進行了驗證。周志勇等[5]對27 km×23 km的大范圍區域的復雜地形進行了風環境的CFD模擬，研究了網格類型和網格尺度劃分對計算結果的影響。

本文針對西部山區某大跨度懸索橋橋址區，通過數值模擬方法，對比分析了橋址區風環境，探究了新建水壩對風環境的影響。

1 橋址區風環境數值模擬方法

1.1 橋址區地形條件

以西部山區某大跨度橋梁的橋址區為研究背景，該橋址區地形變化急劇，風場分布復雜，且橋梁下游1 km處擬新建一水壩，建立水壩前常水位距橋面高度約500 m，水壩建成后常水位升高約120 m，距橋面高度減小至380 m。水壩建立前后的地形表面如圖1所示。

圖1 橋址區地形表面

1.2 模型建立及邊界條件

針對本橋址區地形地貌特點，兼顧計算效率與精度，以橋位中心為分析范圍的中心，地形范圍取為20 km×20 km。建模時高程點間隔取為20 m，計算區域底部以山體、河流為界，底部與頂部高程差取為20 000 m。采用四面體非結構化網格對計算區域進行離散，共劃分301萬個網格。

風場計算中入口處來流邊界層高度取為4 000 m，高程4 000 m以上部分風速取為50 m/s，高程4 000 m以下部分按B類地表(標準氣象站場地)風速隨高度變化的指數規律進行設置，如式(1)所示。橋面高度對應的入口風速為37 m/s。

(1)

2 計算結果及分析

2.1 工況設置

南向來流與主梁軸線近乎垂直，由于考慮橋位下游1 km左右處的水壩會對南方來流產生一定的阻擋作用，橋址區的風環境可能發生改變。本文主要針對兩種工況，對其在水壩建成前后的流場等進行對比分析，工況設置情況見表1。

表1 工況設置表

分別用u、v、w表示橫橋向風速、順橋向風速、豎向風速分量，風攻角α定義如式(2)式所示。

(2)

2.2 水壩對橋址區近地面風環境的影響

計算兩種工況考慮水壩影響前后橋址區近地面整體橫橋向風速分布，如圖2、圖3所示。

圖2 地形整體橫橋向風速分布(工況1)

圖3 地形整體橫橋向風速分布(工況2)

對于工況1，由圖2可知，是否考慮水壩對橋址區近地面的橫橋向風速影響不大，對橋位周圍近地面的流線影響不大。

對于工況2，由圖3可知，在未考慮水壩影響時，橋址區近地面的橫橋向風速普遍大于20 m/s，而在考慮水壩影響后，橋址區近地面的橫橋向風速減小到20 m/s以下。這是因為在未考慮水壩影響時，橋位周圍近地面的流線方向較為分散，但都幾乎垂直于橋軸線，而在考慮水壩影響后，橋位周圍近地面的流線方向發生了變化，絕大部分都朝向北偏東方向，與橋軸線形成了一定的夾角。

2.3 水壩對主梁橫橋向風速的影響

為考察橋位周圍的橫橋向風速分布，將橋軸線所在立面取出進行對比分析，如圖4、圖5所示。

圖4 橋軸線剖面橫橋向風速分布(工況1)

圖5 橋軸線剖面橫橋向風速分布(工況2)

對于工況1，由圖4可見，在未考慮水壩影響時，橋軸線剖面的橫橋向風速在橋面高度處僅有橋梁兩端很小部分區域小于40 m/s，在橋梁中間大部分區域都超過40 m/s。而在考慮水壩影響后，靠西岸一側橋面高度處的一極小區域的橫橋向風速大于50 m/s，其余區域的橫橋向風速有所降低，超過40 m/s風速的區域減小。

對于工況2，由圖5可見，在未考慮水壩影響時，橋軸線剖面的橫橋向風速在橋面高度處均大于30 m/s，中間位置處有極小部分區域的橫橋向風速超過40 m/s。而在考慮水壩影響后，橋位高度處的風速急劇減小，只有極小部分區域的橫橋向風速超過30 m/s，有接近一半的區域的風速小于20 m/s，其余部分的風速在20～30 m/s。總體來看，考慮水壩影響后，該工況的平均橫橋向風速明顯減小。

2.4 水壩對主梁風攻角的影響

為考察水壩對主梁周圍風攻角的影響，將橋軸線所在立面取出進行對比分析，橋軸線剖面豎向風速分布如圖6、圖7所示。

圖6 橋軸線剖面豎向風速分布(工況1)

圖7 橋軸線剖面豎向風速分布(工況2)

對于工況1，從圖6可以看出，在未考慮水壩影響時，在橋面高度處近半區域內，豎向風速超過5 m/s，其余區域均在-5～5 m/s。在考慮水壩影響后，橋面高度處豎向風速超過5 m/s的區域向西岸側移動，風速在0～5 m/s的區域增大，豎向風速整體而言有所下降。由風攻角計算公式可知，豎向風速下降，則風攻角將減小。

對于工況2，從圖7可以看出，在未考慮水壩影響時，在橋面高度處近半區域內，豎向風速超過5 m/s，部分區域風速達到10 m/s。在考慮水壩影響后，橋面高度處豎向風速超過5 m/s的區域減小，且未出現風速大于10 m/s的區域。由此可知，是否考慮水壩對橋梁周圍風攻角有明顯影響。

4 結 論

通過對比有無大壩兩種地形模型下橋址區風環境，可以得出以下結論：

(1)水壩對不同工況的橋位附近風環境的影響各不相同，對于工況1，水壩是否存在對橋址區近地面的風環境影響不大。而對于工況2，考慮水壩的影響后，橋址區近地面的橫橋向風速明顯減小。橋位周圍近地面的流線方向也發生了變化，絕大部分都朝向北偏東方向，與橋軸線形成了一定的夾角。

(2)水壩能夠不同程度降低各工況的主梁橫橋向風速，工況2尤其明顯。

(3)水壩能夠不同程度地減小風攻角，考慮水壩后主梁豎向風速明顯降低，橋軸線剖面的橋位附近流場也發生改變。