橋梁建設對河道水流影響的數值模擬分析

欒 巍

(安徽省城建設計研究總院股份有限公司，合肥 230051)

0 引 言

跨河橋梁的建設勢必引起與現有河道功能發生影響，在河道中設置橋墩更會縮窄河道斷面。橋梁修建對河道的影響主要是橋墩處流速大小的變化、橋墩處水流流場的變化以及橋墩造成的上游雍水和對橋墩周邊的沖刷，使河道安全運行存在風險。因此，橋梁建成后對河道水流影響分析是河道管理的重要內容之一。本文以安徽省安慶市稼先路橋跨高河大河為例，運用MIKE軟件對建橋前后水流流場進行模擬，為后續消除和減輕影響措施提供一定的技術支持。

1 MIKE模型計算理論

運用MIKE軟件對河道水流進行模擬，MIKE21是MIKE軟件中的二維模型模塊，該模型運用三向不可壓縮方程以及Reynold值均分布的Navier-Stokes方程，同時運用靜水壓力的假定和Boussinesq假定[1]。二維非恒定淺水方程組為：

式中：t為時間；η為水位；h=η+d為總水深；u、v分別為X和Y方向上的速度分量，x、y為笛卡爾坐標系坐標；f為科氏力系數；g為重力加速度；ω為地球自轉角速度；φ為當地緯度；Sxx、Sxy、Syy分別為輻射應力分量；S為源項；ρ為水的密度。

橫向應力Tij包括黏滯阻力，紊動摩擦阻力和差動平流摩擦阻力，用垂向流速平均的渦黏方程來計算：

MIKE21非結構化網格模型采用非結構有限體積法離散控制方程。有限體積法中使用的非結構網格通常由三角形或四邊形網格組成，為了準確擬合河道曲折的岸邊界，一般采用三角形網格進行計算[2]。

2 計算實例

2.1 工程概況

稼先路高河大河橋位于高河大河城區段，距高河大河入三鴉寺湖口約7 km，河道在橋位段基本順直。擬建稼先路橋總寬50 m，主橋采用40+80 m獨塔無背索斜拉橋，塔-梁-墩全固結體系。塔高62.8 m，寬2.8 m，拉索間距8 m，采用平行布索，主梁采用預應力混凝土箱梁，梁高2.5 m。引橋上部結構為30 m跨先簡支后連續小箱梁，梁高1.6 m；引橋40 m跨簡支小箱梁梁高2 m。橋臺采用樁柱式橋臺，鉆孔灌注樁基；30 m跨引橋橋墩采用Φ1.4 m橋墩，下接Φ1.5 m鉆孔灌注樁基；40 m跨引橋橋墩采用Φ1.6 m橋墩，下接Φ1.8 m鉆孔灌注樁基。

高河大河系三鴉寺湖流域的一條主要支流，主河道全長13.33 km，流域面積為204.3 km2。現狀防洪標準達50年一遇。橋址處左岸堤頂高程約18.624 m，右岸堤頂高程約18.48 m，為草皮護坡；左岸有寬8 m堤頂道路，右岸有寬6 m堤頂道路。工程斷面呈U形斷面，上口寬約291 m，河底高程約9.94 m，底寬約55 m。河道設計泄洪能力1 423 m3/s。

2.2 計算方案

橋梁所跨河道防洪標準為50年一遇，本次計算以該段河道50一遇洪水水文條件為計算邊界，研究分析洪水條件下橋梁建設方案對河道水位、流速、流向、沖刷的影響[3]。

2.3 模型建立

2.3.1 計算范圍及邊界條件

1) 計算范圍。采用實測河道平面地形及河道斷面資料，計算范圍為老206國道橋下至石如大道橋2.73 km長的河道范圍。

2) 糙率。河口-新206國道段：堤內腳無明顯灘涂地，糙率取值0.03；新206國道至鐵路橋段：左堤已退30 m左右，堤內腳也無明顯灘涂地，糙率取值0.027 5。

3) 網格。由于老206國道橋下至石如大道橋段河道整體面積不大，計算區域內地形沒有急劇變化的特點，同時考慮河道地形圖測量精度，兼顧模型運算速度及穩定性，一般采用邊長約30 m的三角形作為計算網格，橋墩上下游200 m采用5 m的網格橋墩進行加密，加密最小計算網格邊長按1 m控制，共剖分8 587個網格。見圖1、圖2。

4) 時間步長。利用有限體積法計算三角網格的水流模擬時，采用30 s作為最大時間步長，0.01 s作為最小時間步長。

5) 邊界條件。老206國道至入河口段50年一遇設計流量為1 497 m3/s，下游石如大道橋50年一遇設計洪水位為17.31 m。50年一遇設計洪水，上游以老206國道50年一遇設計流量作為上邊界，下游以石如大道橋50年一遇設計洪水位作為下邊界。

2.3.2 參數復核與模型驗證

河口-新206國道段：堤內腳無明顯灘涂地，糙率取值采用0.03。利用高河大河的高河水文站2020年7月5日和7月20日實測流量、水位資料進行參數復核和模型驗證，通過試錯法，模型模擬水位值與實測水位值誤差在1 cm左右，總體精度較好，基本滿足模擬分析要求。見表1。

圖1 老206國道橋下至石如大道橋段河道網格剖分示意圖

圖2 老206國道橋下至石如大道橋段河道網格地形示意圖

表1 2020年洪水高河大河二維模型精度評價表

3 結果分析

3.1 流速分析

工程修建前后，高河大河設計洪水條件下,稼先路橋橋墩區域的流速大小計算成果見表2。左岸橋墩的上下游流速降低較多，降低0.82～1.18 m/s；左岸橋墩至左岸堤防之間流速大小變化不大。橋墩至河道主槽之間流速增大了0.37～0.63 m/s，即由1.8 m/s左右增大至2.17～2.38 m/s。右岸橋墩上游流速變化較小，橋墩下游流速降低0.55 m/s左右；右岸橋墩至右岸堤防之間流速變化甚微。

工程修建前后，高河大河設計洪水條件下，稼先路橋橋墩斷面處的流速分布計算成果見圖3。

表2 50年一遇洪水條件下高河大河在建橋前后各特征點流速峰值比較表

圖3 工程修建前后橋址處流場圖

3.2 流場分析

工程修建前后，高河大河設計洪水條件下，老206國道橋下至石如大道橋河段及稼先路橋橋墩區域的流場計算成果見圖4。

現狀無橋梁時，河道主流流速在1.5～1.8 m/s之間，順直型河道流場也較為流暢，河道無紊流和繞流情況。橋梁右岸段灘地窄，堤防至河道主槽之間地形變化較為劇烈，因此近岸段流速達3 m/s。

稼先路橋修建后，河道主流流速在1.8～2.4 m/s之間，總體上因河道為順直型河道，流場較為流暢。左岸橋墩至左岸堤防之間流場及流速無明顯變化；左岸橋墩周邊有一定繞流情況，同時橋墩前及橋墩后流速降低至0.4～0.9 m/s，區域總體流速降低0.9 m/s左右；左岸橋墩至主槽之間流場無明顯變化，但流速增大0.4～0.6 m/s。右岸橋墩至右岸堤防之間流場及流速無明顯變化；右岸橋墩周邊繞流范圍很小，橋墩前流速無明顯變化，橋墩后速降低至1.3 m/s，降低0.5 m/s左右；右岸橋墩至主槽之間流場無明顯變化，但流速也增大0.4～0.6 m/s。

總體上，稼先路橋的修建對橋墩至岸坡堤防之間水流流場及流速的影響很小，左岸橋墩上下游存在繞流情況，但影響范圍較小，橋梁區域的主槽之間流速由1.5～1.8 m/s增大至1.8～2.4 m/s，河道主槽流速增大0.4～0.6 m/s。河段右岸由于岸坡較陡及迎流頂沖等原因，設計洪水條件下近岸段流速達3 m/s。

3.3 壅水分析

工程修建前后，高河大河設計洪水條件下，稼先路橋上游各特征點相應位置的50年一遇洪水位計算成果見表3。工程修建后，稼先路橋前雍水達到6 cm，橋梁雍水至400 m，對橋梁400 m以上河段影響甚微。

圖4 工程修建前后老206國道橋下至石如大道橋河段流場圖

表3 工程修建前后各特征點水位比較表

3.4 沖刷分析

工程建成后，河道部位存在一般沖刷及局部沖刷，橋墩處局部沖刷會形成沖坑。由于左側橋墩位于河灘地，洪水期沖刷嚴重，河灘部分一般沖刷0.32 m、局部沖刷達4.54 m；河槽部分一般沖刷0.04 m、局部沖刷達0.97 m。見表4。

表4 工程修建前后橋址處沖刷計算表

4 結論與建議

1) 設計50年一遇洪水工況下，稼先路橋的修建對橋墩至岸坡堤防之間水流流場及流速的影響很小，橋梁區域的主槽之間流速由1.5～1.8 m/s增大至1.8～2.4 m/s，河道主槽流速增大0.4～0.6 m/s。稼先路橋前雍水達到0.62 cm，橋梁雍水至橋上游400 m。在河道上修建橋梁后，橋下水流受橋墩的阻壅作用，河道中單寬流量增加，局部水面比降和流速加大，導致河床產生一般沖刷，同時在橋墩附近形成復雜的流態，導致橋墩周圍出現局部沖刷[4]。由于左側橋墩位于河灘地，洪水期沖刷嚴重，局部沖刷達4.54 m。

2) 由于橋梁所在河段右岸岸坡較陡、迎流頂沖及橋梁建設等影響，50年一遇設計洪水條件下近岸段流速達3 m/s。建議橋梁修建后，對左岸橋位處及上游50 m、下游100 m迎水側岸坡實施護砌防護措施，對右岸橋位處及上游100 m、下游150 m范圍迎水側岸坡實施護砌防護措施。