石磧河橋梁工程建設對河道水動力條件影響研究

齊慶輝，東培華，曲紅玲

（華設設計集團股份有限公司，江蘇 南京 210014）

356 省道南京段采用橋梁方式跨越石磧河，橋址距離入江口約1.3km，橋梁軸線法線方向與石磧河航道中心線交角約25 度。本文建立了平面二維水流數(shù)學模型，計算分析橋梁工程實施后對橋區(qū)河段的水流條件的影響[1][2]。

1 模型計算范圍及邊界條件

1.1 模型計算范圍

基于MIKE21 模式建立工程河段平面二維水流數(shù)學模型，計算分析橋梁工程實施后縱向流速、回流及橫流分布情況。模型上邊界距擬建橋址處約1.5km，下邊界距擬建橋址處約1.1km。模型計算范圍見圖1。

圖1 模型計算范圍

1.2 計算邊界條件

選取行洪期工程河段水位、流量作為邊界控制條件，橋區(qū)段河道三年一遇行洪流量為420m3/s，橋址處設計最高通航水位為▽7.69m(1985 國家高程，下同)。

2 數(shù)學模型建立

2.1 水動力控制方程

基于N-S 方程，即淺水方程，建立平面二維水流數(shù)學模型，求解流速、流向以及水位。方程表達式如下：

2.2 初始及邊界條件

2.3 計算網(wǎng)格、地形及參數(shù)設置

模型計算范圍見圖1，模型上邊界距擬建橋址處約1.35km，下邊界距擬建橋址處約0.9km。為精確模擬橋墩附近水流，橋墩附近網(wǎng)格尺度為0.6m，其他區(qū)域網(wǎng)格尺度為0.6～3.0m。計算模型共有網(wǎng)格節(jié)點61527 個，三角形單元121184 個。橋墩附近局部網(wǎng)格放大圖見圖2。

圖2 橋墩附近水域局部流場圖

擬建橋梁橋區(qū)河道糙率取0.023～0.029；紊動粘性系數(shù)取0.01m2/s。計算時間步長取5s。

3 工程實施后水動力變化情況分析

3.1 跨河橋梁工程對流速的影響

為分析橋梁工程建設前后工程河段水動力條件變化情況，在工程河段共布置了9 個采樣點，具體位置見圖3。圖4 為大橋建設前后橋區(qū)段流速變化圖。大橋建設后，因河道斷面縮窄，河槽內流速略有增加，流速最大增幅為0.25m/s 左右；橋軸線處工程前后流速分別為2.0m/s、2.2m/s，流速變化幅度為0.2m/s。由于橋墩的阻水作用，橋墩附近水域流速明顯減小，離橋墩越遠，流速變化越小。

圖3 流速采樣點示意圖

圖4 大橋建設前后橋區(qū)段流速變化圖

3.2 跨河橋梁工程對紊流分布的影響

圖5 為橋墩附近等值線分布圖，大橋建設后，橋墩周圍2.0m 范圍內由于水流繞流運動產生紊流，但紊流流速較小，對航道內船舶航行安全基本不會產生影響。

圖5 橋墩附近等值線分布圖

3.3 跨河橋梁工程對橫流分布的影響

跨河橋梁工程實施后，可以看出橋梁上下游100m范圍內流速矢量與航道夾角較小，橋軸線處水流流向與航道中心線夾角為0.5°。橋梁上、下游100m 范圍內表面流速為2.0～2.2m/s，橫流值為0.01～0.06m/s，其中橋軸線與航道中心線交點處橫流值為0.02m/s，符合相關規(guī)范要求。

表1 橋梁工程實施后橫流統(tǒng)計表

表2 大橋建設前后航道中心線流速統(tǒng)計表（m/s）

4 結論

本文建立擬建橋梁工程河段平面二維水流數(shù)學模型，計算分析橋梁工程實施后橋區(qū)河段水動力條件變化情況、紊流分布及橫流情況。

研究表明大橋建設后，三年一遇行洪流量下，橋址處表面流速為2.0～2.2m/s，橫流值為0.01～0.06m/s；河槽內因過水斷面縮窄，局部流速略有增加，增加幅度在0.25m/s 以內，對工程河段水流流場整體影響不大。橋墩周圍2.0m 范圍內由于水流繞流運動產生紊流，但紊流流速較小，對航道內船舶航行安全不會產生影響，滿足運河通航標準相關要求。