感潮河段橋墩影響評價的高精度二維模擬

魏清福

(江蘇省太湖水利規劃設計研究院有限公司上海分公司,上海 200434)

河道水域范圍內設置橋墩后，造成河道的過水斷面發生變化，進而改變河道的水流條件，尤其是橋墩局部區域的水流條件。水流條件改變后，將引起河道形態做出相應的調整，因此，有必要采取技術手段分析河道內設置橋墩對河道水流的影響。MIKE 21模型長期應用于感潮河段潮波、潮流等特性的數值研究，并取得了大量的研究成果[1-3]。張震[4]通過二維水動力學模型分析了商合杭鐵路淮河大橋建設對河段行洪的影響；楊新偉等[5]通過MIKE 21 FM模型分析了橋前壅水及流場變化，認為采用數學模型來解決防洪影響評價的相關問題是合理有效的；張慧等[6]以五峰山涉水橋梁為例，分析了HEC-RAS、MIKE 21及Hydro Info等不同模型的橋前壅水精度及適應性；任錦亮等[7]運用MIKE 21軟件對建橋前后水位變化情況進行了數值模擬，并與經驗公式計算結果進行了比較分析。目前，MIKE水動力模型已在河道水流等多領域得到廣泛應用[8-11]，可較好地反演河道水位變化情況，該模型可適用于河道水位及水動力的模擬計算。但目前的研究成果多是分析涉水橋墩建設對河道整體水流的影響，而對橋墩局部區域未作細致分析。鑒于橋墩與河道平面尺度差異較大，模型網格的概化精度、橋墩輪廓的貼合程度都會對模型計算效率及成果造成影響，本文以跨黃浦江感潮河段的涉水橋墩為例，采用SMS軟件對橋墩局部區域的河道和地形進行概化，采用MIKE 21 FM軟件對墩前壅水、流場變化等進行計算分析，可為工程建設的涉水影響提供可靠依據，對合理開發利用沿河水資源具有一定的現實意義，模型概化的處理方式亦可在涉河橋墩防洪評價計算中推廣使用。

黃浦江是長江入海前的最后一條支流，是太湖流域主要排水河道，上接淀山湖、下經吳淞口入長江，發源于杭嘉湖平原東部區域和上海市西部的淀山湖。黃浦江潮汐為不規則半日潮，一天兩漲兩落，潮汐不等現象較為明顯。根據黃浦江潮汐特性，下游高潮位高于上游高潮位，下游低潮位低于上游低潮位。

1 模型的設置和驗證

1.1 模型網格

涉河橋墩所在河道寬約400m，橋墩為圓端形，尺寸為21m×46m。模型概化河道長度約40km，上游邊界與橋墩的距離約25km，下游邊界與橋墩的距離約15km，見圖1。

圖1 計算范圍和網格圖

模型采用三角形網格對計算區域進行剖分。模型網格從邊界至橋墩區域逐漸加密，網格邊長最小為1m，網格的逐漸加密可消除因網格突變而引起的數值耗散；橋墩局部區域網格加密可增加模型網格與橋墩輪廓的貼合程度，提高計算精度，見圖2。

1.2 模型設置

橋梁跨越河段缺少實測水文資料，本次采用橋梁上游實測水文資料對模型計算參數進行驗證，主要包括各水文測點的水位、流速、流向實測資料，水文測點位置見圖3。上下游邊界采用實測潮位資料。

圖3 水文測點位置示意圖

各點潮位驗證過程見圖4。由圖4可知，計算潮位與實測潮位總體上吻合程度良好，兩者平均相差5cm，高低潮時間的相位偏差在±0.5h以內，潮位變化能較好地體現漲落潮的日變化。

圖4 模型計算結果與實測值對比情況

各點垂線的平均流速驗證過程見圖5、圖6。由圖5、圖6可知，計算流速、流向過程線與實測值基本吻合，計算漲落潮時段平均流速與實測值平均偏差不超過10%，憩流時間和最大流速出現時間與實測值的偏差在0.5h以內，漲落潮歷時、漲落急出現的時刻與實測值基本一致，深槽區域的流速驗證情況較岸灘區域好。

圖5 3A至3C各測點的流速、流向驗證過程

圖6 4A至4C各測點的流速、流向驗證過程

以上驗證結果表明，模型計算的水位、流速和流向與實測值吻合程度良好，說明計算參數選擇合理，模型能夠較好地反演黃浦江河道潮波傳播特性。模型的計算精度基本符合《海岸與河口潮流泥沙模擬技術規程》(JTS/T 231-2—2010)中的要求，可以用來進行工程方案的數值計算。

2 模型成果分析

2.1 水位的影響分析

建橋后，漲潮時，橋墩上游受橋墩阻水影響水位略有降低，下游近橋墩端點處受漲潮流影響水位壅高，橋墩上游2km以上區域及下游2km以上區域水位變化均小于0.5mm，見圖7。上游近橋墩端點處水位降低約為1.0mm，隨著與橋墩端點距離的增加，水位降低幅度先減小后略有增大；下游近橋墩端點處水位壅高約10.0mm，隨著與橋墩端點距離的增加，水位壅高值逐漸減?。粯蚨諆蓚人宦杂薪档?，近橋墩局部區域水位降低幅度大于10.0mm，遠橋墩區域水位降低幅度小于0.5mm。漲潮時橋墩上下游臨近區域的水位變化情況見表1。

圖7 建橋前后高潮位差值

建橋后，落潮時，橋址上游受橋墩阻水影響水位略有壅高，壅高幅度為1.0～3.0mm，至河道上游轉彎處水位壅高幅度小于0.5mm，下游2km以上區域水位變化小于0.5mm，見圖8。橋墩端點附近上、下游水位均略有壅高，上游水位壅高的主要原因是橋墩阻水影響，而橋墩下游局部區域水位壅高主要是由橋墩阻擋作用導致的橋墩后側落潮流滯后造成的。上游近橋墩端點處水位壅高超過30.0mm，隨著與端點距離的增加，水位壅高值逐漸減?。幌掠谓鼧蚨斩它c處水位壅高約為5.0mm，隨著與端點距離的增加，水位壅高值逐漸減?。粯蚨諆蓚人宦杂薪档停鼧蚨站植繀^域水位降低幅度大于30.0mm，遠橋墩區域水位降低幅度小于2.0mm。落潮時橋墩上、下游臨近區域的水位變化情況見表1。

圖8 建橋前后低潮位差值

表1 建橋前后典型點位的潮位變化統計

2.2 流場的影響分析

建橋后，漲急時刻，橋墩外圍大范圍流場無明顯差異，與建橋前基本一致，見圖9。橋墩局部區域流場略有差異，橋墩上、下游局部區域水流由于受到橋墩阻水影響，下游漲潮水流向兩側偏轉，而上游水流則沿著橋墩弧形端向中間偏轉，橋墩左右兩側水流流向與建橋前基本一致，流速量值略有增加。

圖9 建橋前后漲急流場

建橋后，落急時刻，橋墩外圍大范圍流場無明顯差異，與建橋前基本一致，見圖10。橋墩局部區域流場略有差異，橋墩上、下游局部區域水流由于受到橋墩阻水影響，上游落潮水流向兩側偏轉，而下游水流則沿著橋墩弧形端向中間偏轉，橋墩左右兩側近橋墩區域水流流向略向外側偏轉，外側水流流向與建橋前基本一致，流速量值略有增加。

圖10 建橋前后落急流場

建橋后，漲急時刻，橋墩上、下游流速均略有減小，上游漲急流速減小幅度略大于下游，上游端點局部區域漲急流速的減小幅度超過30cm/s，隨著距離的增加，漲急流速的減小幅度逐漸收斂，下游端點區域漲急流速的減小幅度超過6cm/s，隨著距離的增加，其減小幅度迅速收斂；橋墩左右兩側漲急流速略有增加，近橋墩區域流速增加幅度較大，橋墩兩側河道主槽區域流速增加幅度約為2～4cm/s，見圖11(a)。漲潮時橋墩上下游臨近區域的流速變化情況見表2，由表2可知，橋墩上游區域，橋墩端點處流速減小56.46cm/s，距離橋墩端點約400m處流速僅減小2.82cm/s；橋墩下游區域，橋墩端點處流速減小44.56cm/s，距離橋墩端點約400m處流速僅增加0.01cm/s。

表2 建橋前后典型點位的流速變化統計

建橋后，落急時刻，橋墩上、下游流速均略有減小，上游落急流速減小幅度略小于下游，上游端點局部區域落急流速的減小幅度超過10cm/s，隨著距離的增加，其減小幅度逐漸收斂，下游近端點區域落急流速的減小幅度超過30cm/s，隨著距離的增加，其減小的幅度迅速收斂；橋墩左右兩側落急流速略有增加，近橋墩區域流速增加幅度較大，橋墩兩側河道主槽區域流速增加幅度約為4cm/s，見圖11(b)。落潮時橋墩上、下游臨近區域的流速變化情況見表2，由表2可知，橋墩上游區域，橋墩端點處流速減小61.96cm/s，距離橋墩端點約同400m處流速僅減小0.03cm/s；橋墩下游區域，橋墩端點區域流速減小88.60cm/s，距離橋墩端點約400m處流速僅減小3.6cm/s。

圖11 建橋前后漲急、落急流速差值圖(單位:cm/s)

3 結 語

本文以黃浦江感潮河段涉河橋墩為例，采用SMS軟件對橋墩局部區域網格進行逐步加密，模型計算成果能較好地反映橋墩局部區域水位和流場的變化情況。通過對計算成果的分析可以看出，涉河橋墩建設會造成橋墩局部區域水位壅高，橋墩所在河道斷面流速增加，但影響范圍較小，一般不會對整體河段水流產生明顯影響。模型概化的處理方式可在涉河橋墩防洪評價計算中推廣使用。