基于數值仿真的涉河橋墩阻水效應研究

魏煒

涉河工程的建設，占用了河道的過水面積，導致水位壅高及水流流動模式的改變，給河床、河岸的穩定以及行洪帶了負面影響。文章以大新縣桃城農場中橋為例，采用數值仿真的方法模擬橋墩的阻水效應，分析了工程建設前后壅水和流速的變化，為評估涉河橋墩阻水效應提供參考。

數值仿真;阻水效應;橋梁;橋墩

U442.3+9A170604

0 引言

隨著我國“交通強國”戰略的實施，新一輪基礎設施的建設熱潮正在掀起，涉河工程的建設也越來越多[1]。涉河工程的建設，勢必會占用河道的過水面積，產生阻水效應，導致河道范圍內水流的流動模式改變、水位壅高等現象產生，進而影響河床、河岸的穩定[2]。目前對于河道阻水及流態分析大都采用經驗公式或者一維水力學模型來計算分析[3]，但這些方法往往會由于河道類型不同而產生不同的結果。因此，本次研究探索采用仿真模擬的方法來計算涉河橋墩的阻水效應影響，對橋墩阻水效應的定性和定量分析具有十分重要的現實意義。

1 計算原理及方法

本次數值仿真計算的原理如下：（1）通過整合水平動量方程和連續方程得到淺水方程，據此在河道深度上集成不可壓縮的雷諾Naviertokes方程;（2）通過采用單中心的有限體積法離散原始方程的空間，并將空間域由連續離散細分成非重疊的三角形非結構化網格單元[4];（3）對流通量的計算采用Riemann金斯求解，可方便處理非連續的解決方案，時間積分采用顯式積分方法，詳細計算原理參考文獻[5]。

本次研究仿真采用的實驗工具為MIKE 21FM軟件，它是DHK（Danish Hydraulic Institute，丹麥水力研究所）所研發，是專門用于模擬河流、湖泊、河口、海灣、海岸以及海洋的水流、波浪、泥沙及環境的工程軟件包[6]，在本研究中用于對涉河橋墩進行阻水仿真模擬計算。

2 研究對象的基本情況

本次研究對象為崇左市大新縣縣城內的桃城農場中橋，橋址位于向水河上游河段，坐標為東經107°10′44″，北緯22°51′04″。

2.1 橋梁工程設計方案

桃城農場中橋采用三跨預制小箱梁結構，橋梁縱軸線與河道中線處于60°斜交。綜合地形因素，橋跨布置考慮為：3.5 m（橋臺）+20 m+40 m+20 m+3.5 m（橋臺）=87 m，單幅寬度為20 m，橋臺采用承臺加樁基礎。橋梁設計標準按100年一遇洪水設計，相應水位為H1%=251.61 m（建前），相應流量為Q1%=860.7 m3/s。

2.2 河流水文情勢

桃城農場中橋斜跨向水河。向水河又名利江，屬黑水河一級支流，干流長89 km，集水面積為1 672 km2，平均坡降3.17‰，多年平均流量為29.1 m3/s。向水河寬度為30～60 m，河水深度約2～3 m，岸坡以粉質黏土為主，河床以粗砂為主，河水水流常年偏緩慢，水流對河岸及河床沖刷影響較小。

2.2.1 河流洪水頻率

向水河上設有國家基本水文站——大新水文站。大新水文站于1958年設站，位于桃城農場中橋橋址下游3.5 km處，集水面積為867 km2。根據大新水文站1959—2015年連續57年的實測洪水資料，加入1936年歷史洪水（重現期取79年），采用P-Ⅲ型曲線適線，分析計算得到大新水文站不同頻率的設計洪水，再根據水文比擬法[7]按面積比的2/3次方換算至桃城農場中橋斷面洪水成果，如表1所示。

2.2.2 控制斷面洪水位

結合收集的實測資料以及計算范圍情況，本次研究選擇桃城農場中橋橋址下游900 m處的河道斷面作為水位控制斷面。根據實測的大斷面資料，按恒定均勻流速進行計算，采用曼寧公式計算控制斷面在不同水位情況下過水斷面流量，高水部分以附近歷史洪痕點作為控制點，并參照曲線的趨勢延長，最終得到控制斷面的水位與流量關系曲線成果，如表2和圖1所示。

3 阻水效應數值仿真模擬

3.1 仿真計算方案及邊界條件

為了研究桃城農場中橋橋墩對河道行洪產生的影響，本次研究擬定100年一遇洪水、20年一遇洪水、10年一遇洪水和5年一遇洪水四個頻率方案，對每個方案橋梁修建前后的洪水水位、流場進行仿真模擬計算。河段水流仿真計算條件上邊界采用設計洪水流量，下邊界采用出口控制斷面洪水位。各方案的上下游邊界條件如表3所示。

根據桃城農場中橋工程所處河段的特點，選擇仿真計算河道區域為橋址上下游各900 m河段水域，共計1 800 m河道長度，并建立對應河段數字化地形圖（見下頁圖2）。為對比分析橋梁建設前后水位和流態的具體變化情況，在仿真計算水域布設一系列采樣點。本次研究從上至下沿河道布置了43個斷面，并在每個斷面的深泓線、兩岸線上分別布置了采樣點，采樣點布設情況如下頁圖3所示。

3.2 仿真結果分析

3.2.1 壅水仿真分析

利用Mike 21FM水動力模型對各方案進行仿真計算分析，并根據采樣點水位差值繪制不同頻率下縱向差值曲線圖，左岸線、中泓線、右岸線水位差值曲線圖如下頁圖4所示。

根據圖4分析可得，在100年一遇洪水情況下，橋梁建設后水位最大壅水量為0.093 m，在橋梁上游35 m左岸線處;在50年一遇洪水情況下，橋梁建設后水位最大壅水量為0.117 m，在橋址左岸線處;在20年一遇洪水情況下，橋梁建設后水位最大壅水量為0.116 m，在橋址左岸線處;在10年一遇洪水情況下，橋梁建設后水位最大壅水量為0.200 m，在橋址左岸線處。由此可見，橋梁工程的建設對大頻率洪水情況下壅水影響較大，說明向水河屬于山谷型河流。所有的洪水頻率下，橋梁壅水的最大值都出現在左岸線上，說明橋梁的建設對左岸線的阻水效應更明顯。

對圖4進行對比分析可知，10年一遇的洪水整體比其他頻率的洪水情況下阻水效應大，洪水越大時，桃城農場中橋的阻水效應越小。桃城農場中橋下游100 m后阻水效應很小，幾乎不受橋梁工程建設的影響，但在上游900 m仿真范圍內都受橋梁工程建設的影響。

3.2.2 流速仿真分析

根據采樣點流速差值繪制不同頻率下縱向流速差值曲線圖，河道左岸線、中泓線、右岸線流速差值曲線圖如圖5所示。

根據圖5分析可得，在100年一遇洪水情況下，橋梁建設后流速變化最大在橋址下游30 m右岸線處，減緩為0.13 m/s;在50年一遇洪水情況下，橋梁建設后流速變化最大在橋址中泓線處，減緩為0.21 m/s;在20年一遇洪水情況下，橋梁建設后流速變化最大在橋址右岸線處，減緩為0.24 m/s;在10年一遇洪水情況下，橋梁建設后流速變化最大在橋址中泓線處，減緩為0.19 m/s。對比仿真采樣結果可知，有三個方案的橋梁建設后流速變化最大量都發生在橋址斷面，說明在橋址斷面水流流速變化復雜，但是整體是顯示減小的趨勢。

結合圖5分析可知，10年一遇的洪水整體比其他頻率的洪水情況下流速變化較大，減緩量也較大，這跟其壅水效應相一致。洪水越大時，桃城農場中橋的建設對流速變化影響就越小。桃城農場中橋下游200 m后流速變化很小，幾乎不受橋梁工程建設的影響，但在上游900 m仿真范圍內由于壅水抬升，橋梁建設后流速整體都放緩。

4 結語

（1）對于山谷河流，洪水越大，橋梁建設對河道行洪壅水效應越小，對流速變化的影響越小。

（2）橋梁工程建設后，橋梁上游區域會形成一定的壅水，河流流速會減緩，橋梁下游附近區域會降水，但由于橋梁阻水消能后也會導致水流流速減緩。

（3）本次研究對象桃城農場中橋工程建設后，在防洪標準100年一遇洪水范圍之內，最大壅水量為0.200 m，流速最大變化量為0.24 m/s，對河道的阻水效應整體較小。

[1]張維鋒，蘭懿凡.宿遷上海路工程跨河橋梁跨徑研究[J].城市道橋與防洪，2020（8）：150-152，17.

[2]宋 濤.某跨河橋梁工程防洪評價分析[D].邯鄲：河北工程大學，2018.

[3]王春宇.基于二維水動力學模型的河流水力學特征分布研究[J].水利技術監督，2016，24（4）：56-58，101.

[4]任敘合，何 帥，李保石.茅尾海生態修復工程對沖淤影響的數值模擬研究[J].海洋湖沼通報，2016（6）：20-28.

[5]魏 煒，謝 軍，劉 芳.MIKE 21FM二維水流計算模型在橋梁防洪評價壅水計算中的應用[J].西部交通科技，2018（12）：76-81，180.

[6]陳宏景.福州市左海-西湖水體水質提升方案[J].凈水技術，2019，38（11）：18-21.

[7]虞 慧，李友輝，孔瓊菊，等.新安江模型在白云山水庫日徑流模擬的應用[J].江西水利科技，2017，43（4）：293-296.