二維水動力分析在橋梁工程航道通航條件影響評價中的應用

原賀軍

(安徽省交通勘察設計院有限公司，安徽 合肥 230011)

0 引 言

根據2018年印發的《安徽省干線航道網規劃(2018——2030年)》,規劃淮河干流為安徽省干線航道“一縱兩橫五干二十線”中的兩橫之一,是省干線航道網的核心之一。規劃淮河干流安徽境內三河尖至臨淮崗樞紐73 km為Ⅲ級航道,臨淮崗樞紐至紅山頭305 km為Ⅱ級航道。淮河干流航道安徽段貨運繁忙,2018年蚌埠船閘和蚌埠復線船閘上行、下行總通過船舶數量約6.67萬艘次,總船舶通過量約9 628萬t。

建設跨越淮河的橋梁工程時,由于水面寬闊,大型橋墩布置在水中,會對天然的水流流態產生干擾,對航道的水動力特性產生影響,使橋墩附近產生不安全的紊流區域。本文以G345馬城至唐集段一級公路工程淮河特大橋為例,結合橋區最新地形和水文資料,采用二維水動力分析研究擬建橋梁對航道的流速、流態的影響以及橋墩紊流寬度的取值。

1 模型建立

1.1 控制方程

模型的建立是基于三向不可壓縮和Reynolds值均布的Navier-Stokes方程,并服從于Boussinesq假定和靜水壓力的假定。

二維非恒定淺水方程組(連續性方程、動量方程)為:

(1)

(2)

(3)

1.2 求解方法

模型采用的數值方法是單元中心的有限體積法。控制方程離散時,結果變量U、V位于單元中心,跨邊界通量垂直于單元邊。有限體積方法中法向通量的計算是,在沿外法線方向建立起單元水動力模型,并通過求解一維的Riemann問題而得到。

1.3 網格劃分

模型范圍取工程斷面上游3.0 km至下游3.0 km,采用非結構三角網格,網格空間步長20 m,橋墩附近加密至0.5 m左右。

1.4 計算工況

擬建橋梁位于臨淮崗樞紐和蚌埠閘樞紐之間,下距蚌埠閘樞紐約30 km,受下游蚌埠閘樞紐調蓄功能影響,設計最低通航水位和常水位工況下水流流速較小,相應的橫向流速也較小。因此,本次僅分析設計最高通航水位23.3 m(20年一遇洪水位)工況。

2 擬建橋梁對水流條件的影響

根據橋梁建設前上游500 m至下游500 m處橫斷面流速統計,工程河段流速范圍為0～1.51 m/s,最大流速出現在橋位上游400～500 m處,該處河床底高程較前段有明顯抬高,過水斷面減小導致水流流速較大。

工程實施以后,洪水期橋址附近斷面水流形態總體仍主要沿河道方向。受橋墩影響,橋墩附近流速流向發生少許變化,但影響范圍不大,如圖1所示。根據擬建橋梁上游500 m至下游500 m處橫斷面流速統計,工程河段流速范圍為0～1.52 m/s,最大流速位置與工程前基本一致。擬建橋梁對工程河段整體水流條件基本沒有影響。

圖1 工程實施后橋址附近流場圖

3 紊流對通航凈寬影響分析

由于橋墩的阻水作用,在橋墩附近產生繞流,流態紊亂,如圖2所示。將其分解到橋梁軸線方向即是影響船舶航行的橫向流速。橫向流速容易使船舶偏轉產生橫向位移,對船舶航行不利,所以需要研究橋墩附近紊流產生橫向流速的影響寬度,船舶航行時應避開此區域。

圖2 工程實施后橋址附近橫向流速流場圖

研究橋墩附近的紊流區寬度,需要將流速沿著與河道垂直的方向進行分解,以得到橫向流速分布,通過在橋墩附近所取一定數量的測點數據,分析橋墩附近橫向流速小于0.2 m/s的范圍以確定紊流寬度大小。

擬建橋梁2號、3號橋墩之間為主通航孔,主通航孔跨徑為230 m,按單孔三線通航考慮;1號、2號橋墩之間為左副通航孔,3號、4號之間為右副通航孔,副通航孔跨徑為105 m,按單孔單向通航考慮。

在各橋墩附近按一定間距分別選取一定數量的測點,進行橫向流速數據的采集,得到各通航孔兩側橋墩的紊流寬度見表1。

表1 各通航孔兩側橋墩的紊流寬度

根據計算結果,設計最高通航水位23.3 m(20年一遇洪水)時,橋墩附近紊流主要集中在迎水側,各通航孔兩側橫向流速大于0.2 m/s的區域占用通航凈寬為1～4.5 m。

4 結束語

在航道通航條件影響評價工作中,對于跨越重要航道的橋梁工程,應采用二維水動力分析方法研究橋墩布置對橋區河段水流條件的影響,通過采集測點數據可以確定橋墩阻水產生的紊流區域所占用的通航凈空尺度。本文提出的分析方法可供淮河干流安徽段后續建設的橋梁工程參考。