輸水明渠橋梁群壅水影響數(shù)值模擬分析

摘要：為研究城市輸水明渠橋群產(chǎn)生的壅水影響問(wèn)題，以成都市重要輸水明渠東風(fēng)渠為例，建立了東風(fēng)渠涉水橋梁群的平面二維水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型，分析了橋梁座數(shù)、橋梁間距、明渠流量對(duì)橋梁群壅水的影響，以及明渠壅水與橋梁座數(shù)、距離的函數(shù)關(guān)系。結(jié)果表明：橋梁壅水與橋梁個(gè)數(shù)、距離及流量密切相關(guān)，即隨著明渠上游橋梁個(gè)數(shù)的增加，上游壅水高度相應(yīng)增加；隨著橋梁間距離增大，明渠上游壅水高度相應(yīng)減小；隨著設(shè)計(jì)流量增大，上游壅水高度相應(yīng)增大。明渠平均壅水高度與橋梁座數(shù)、橋梁距離均呈對(duì)數(shù)函數(shù)分布，且當(dāng)流量增加時(shí)，壅水效應(yīng)明顯。

關(guān)鍵詞：輸水明渠； 橋群； 壅水； 水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型； 東風(fēng)渠

中圖法分類(lèi)號(hào)：TV68

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.12.013

文章編號(hào)：1006-0081（2023）12-0076-06

0引言

橋墩壅水作為一個(gè)傳統(tǒng)的水力學(xué)問(wèn)題，逐漸成為城市河道或渠道行洪排澇關(guān)注的熱點(diǎn)。單座橋梁引起的壅水范圍及高度往往有限，但密集布置在城市河道或渠道上的橋群，極易產(chǎn)生累積效應(yīng)，導(dǎo)致兩岸水位壅高，削弱河道行洪或渠道輸水能力，已經(jīng)嚴(yán)重影響到城市涉河交通建設(shè)的進(jìn)一步發(fā)展［1-2］。

關(guān)于橋墩壅水問(wèn)題，常見(jiàn)的有經(jīng)驗(yàn)公式、物理模型及數(shù)值模擬等研究方法。現(xiàn)階段，物理模型雖能直觀地模擬墩前壅水和河道流態(tài)，但成果推廣受到經(jīng)驗(yàn)性限制。經(jīng)驗(yàn)公式方法雖簡(jiǎn)單便捷，但只能用以粗略求解橋前壅水值以及壅水影響范圍。對(duì)于復(fù)雜的河道和橋梁?jiǎn)栴}，不同公式用在不同橋梁中計(jì)算偏差較大［3］。隨著近代計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，水動(dòng)力數(shù)值模型得到了廣泛的應(yīng)用。目前，對(duì)于單個(gè)橋墩壅水影響的研究較多，而對(duì)橋群引起的壅水影響研究較少［4-8］。袁玉等［9］利用HEC-RAS的橋梁壅水計(jì)算模型，以重慶市向陽(yáng)水庫(kù)國(guó)道復(fù)建工程中的兩座橋梁為研究對(duì)象開(kāi)展實(shí)例研究。任梅芳等［10］通過(guò)MIKE 21對(duì)海南南渡江橋群壅水影響進(jìn)行研究，并對(duì)數(shù)值結(jié)果與實(shí)測(cè)值及經(jīng)驗(yàn)公式值對(duì)比，認(rèn)為數(shù)學(xué)模型能夠較好地模擬復(fù)雜地形，得到更加合理的計(jì)算結(jié)果。王恒山［11］通過(guò)數(shù)學(xué)模擬方法研究了河南省漯河市城區(qū)跨沙河高密度橋梁河段的壅水影響問(wèn)題，研究發(fā)現(xiàn)橋梁對(duì)其上游水位的影響與橋墩的形狀、數(shù)量密切相關(guān)。吳時(shí)強(qiáng)等［1］通過(guò)數(shù)值模擬方法對(duì)南京市秦淮河橋梁群形成的疊加阻水效應(yīng)進(jìn)行研究，研究發(fā)現(xiàn)橋群阻水效應(yīng)隨橋梁座數(shù)增加而增大，隨著橋群距離增大而減小。

本文以成都市輸水渠道東風(fēng)渠為例，建立上游電站水閘-金芙蓉大道典型段約4.5 km輸水明渠二維水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型，以研究橋梁座數(shù)、橋梁間距、明渠流量對(duì)壅水的影響。

1研究區(qū)域概況

東風(fēng)渠位于四川成都市，總干渠全長(zhǎng)54.30 km，設(shè)計(jì)流量80 m³/s，河寬25～40 m，河底寬10～20 m，河底高程507～514 m。東風(fēng)渠取水樞紐在進(jìn)水樞紐閘（府河閘）左岸取水，其主要水源來(lái)源于岷江流域，流經(jīng)成都市的郫縣、新都、金牛、成華、龍泉等區(qū)縣，對(duì)成都市經(jīng)濟(jì)社會(huì)和文化的繁榮做出了巨大貢獻(xiàn)［12-13］。由于東風(fēng)渠涉水建筑物較多，尤其以各種形式橋梁居多，這些橋梁建設(shè)增加了河道的阻水面積，造成渠道輸水能力減弱，加之渠道淤積嚴(yán)重，現(xiàn)狀過(guò)流流量?jī)H15 m³/s，嚴(yán)重影響城市生活及農(nóng)業(yè)灌溉需要。因此，為研究城市輸水明渠橋群壅水影響，本文選取東風(fēng)渠上游電站水閘-金芙蓉大道典型段開(kāi)展橋群壅水影響研究。該典型渠段共有8座橋梁，依次包括100號(hào)橋、101號(hào)橋（云板橋）、102號(hào)橋（清夏橋）、橋98、橋97（S105省道）、103號(hào)橋、104號(hào)橋及105號(hào)橋（圖 1）。其中，橋97（S105省道）橋墩設(shè)置在堤岸不涉水，其余7座橋梁均涉水，由于102號(hào)橋（清夏橋）橋墩位置調(diào)查信息丟失，因此研究渠段橋梁為6座。同時(shí)，涉水橋梁除橋98為4排布置的圓墩外，其余橋梁的橋墩布置形式及形狀多為雙排布置的方形墩。除橋98為半徑05 m的圓墩外，其余橋梁的方墩尺寸均為05 m×0.5 m，具體研究渠段各涉水橋梁相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。

2數(shù)學(xué)模型及計(jì)算條件

為定量研究東風(fēng)渠橋群壅水影響，本文建立了東風(fēng)渠電站水閘-金芙蓉大道典型段二維水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型，展開(kāi)涉水橋群壅水影響模擬研究。

2.1數(shù)學(xué)模型

控制方程分為連續(xù)方程與動(dòng)量方程［1，14］：

2.2計(jì)算條件選取

2.2.1計(jì)算范圍及網(wǎng)格劃分

考慮到東風(fēng)渠干渠較長(zhǎng)，且渠道兩岸布置較多水閘、渡槽及橋梁等涉水建筑物，加之部分渠段河床淤積嚴(yán)重，導(dǎo)致整個(gè)河段水文及地形等因素復(fù)雜，為簡(jiǎn)化研究，選取東風(fēng)渠上游電站水閘-金芙蓉大道典型段為本文模型范圍，總長(zhǎng)度約為4.5 km，見(jiàn)圖2。計(jì)算網(wǎng)格選用邊界擬合度較好的三角形非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，見(jiàn)圖3。網(wǎng)格劃分整體網(wǎng)格尺度為2.0 m。同時(shí)，考慮到模擬渠段不同布置及形狀橋墩存在，對(duì)橋墩附近網(wǎng)格進(jìn)行3層局部加密，加密尺度從內(nèi)到外分別為0.1，0.2，0.5 m，以更加精細(xì)地反映橋墩對(duì)其附近水流的影響。以6座涉水橋梁均存在的實(shí)際現(xiàn)狀為例，模型網(wǎng)格劃分個(gè)數(shù)為76 806個(gè)。

2.2.2計(jì)算邊界及水位條件

模型邊界條件采用上游為流量邊界，下游為水位邊界。渠道沿線橋梁較多，對(duì)現(xiàn)有橋墩采用不過(guò)水邊界處理。同時(shí)，計(jì)算邊界及水位條件采用現(xiàn)狀條件與設(shè)計(jì)條件兩種情況。其中，現(xiàn)狀條件上游流量Q為15 m³/s，下游水位h為509.512 m；設(shè)計(jì)條件上游流量Q為80 m³/s，下游水位h為510.704 m，見(jiàn)表2。

2.3模型驗(yàn)證與率定

根據(jù)現(xiàn)狀條件對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證與率定，采用鄰近研究渠段橋梁處測(cè)量斷面水位進(jìn)行模型驗(yàn)證（部分橋梁位置與測(cè)量斷面較遠(yuǎn)，則不采用該橋梁處水位進(jìn)行驗(yàn)證）。根據(jù)相關(guān)研究［15］，東風(fēng)渠底部及兩側(cè)采用混凝土漿砌板覆蓋，故模型率定選用糙率n為0.008～0.016。經(jīng)過(guò)率定，當(dāng)糙率n為0.01時(shí)，模型計(jì)算得到的水位誤差在±2.0 cm以?xún)?nèi)，可采用建立的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行橋墩壅水影響的二維水動(dòng)力模擬計(jì)算（為便于研究，本文不考慮不同的流量與橋墩數(shù)量情況下，阻水情況差異引起的渠道整體糙率變化的影響），具體驗(yàn)證結(jié)果見(jiàn)表3。

3橋群壅水影響分析

3.1計(jì)算工況

河道或渠道連續(xù)布置多座橋梁時(shí)將引起上游壅水形成累積效應(yīng)，橋墩的布置形式、個(gè)數(shù)及間距等均對(duì)壅水效應(yīng)產(chǎn)生影響。因此，需要對(duì)橋梁座數(shù)、間距及流量進(jìn)行設(shè)置，具體模擬工況見(jiàn)表4。

3.2橋梁座數(shù)

橋梁座數(shù)變化將不同程度影響河道產(chǎn)生壅水影響。本文分別考慮無(wú)橋梁（天然渠道）、橋梁座數(shù)為1，2，3，4，5，6時(shí)渠道沿程的壅水變化，以定量分析不同橋梁座數(shù)對(duì)渠道壅水累積影響。

如圖4所示，在現(xiàn)狀流量Q=15 m³/s情況：① 當(dāng)單座橋梁105號(hào)橋存在時(shí)，整個(gè)渠道壅水沿程升高，并在105號(hào)橋附近形成最大壅水高度為5.8 cm。② 當(dāng)橋梁105號(hào)橋與104號(hào)橋這兩座橋存在時(shí)，整個(gè)渠道壅水沿程升高，并分別在105號(hào)橋與104號(hào)橋附近形成最大壅水高度為5.4 cm與9.5 cm。③ 當(dāng)橋梁105號(hào)橋、104號(hào)橋及103號(hào)橋這3座橋存在時(shí)，整個(gè)渠道壅水沿程升高，并分別在105號(hào)橋、104號(hào)橋及103號(hào)橋附近形成最大壅水高度為4.9，8.7 cm及5.3 cm。④ 當(dāng)橋梁105號(hào)橋、104號(hào)橋、103號(hào)橋及橋98這4座橋存在時(shí)，整個(gè)渠道壅水沿程升高，并分別在105號(hào)橋、104號(hào)橋、103號(hào)橋及橋98附近形成最大壅水高度為4.8，8.6，4.9 cm及3.8 cm。⑤ 當(dāng)橋梁105號(hào)橋、104號(hào)橋、103號(hào)橋、橋98及101號(hào)橋這5座橋存在時(shí)，整個(gè)渠道壅水沿程升高，并分別在105號(hào)橋、104號(hào)橋、103號(hào)橋、橋98及101號(hào)橋附近形成最大壅水高度為4.8，8.5，4.9，3.7cm及1.0 cm。⑥ 當(dāng)橋梁105號(hào)橋、104號(hào)橋、103號(hào)橋、橋98、101號(hào)橋及100號(hào)橋這6座橋存在時(shí)，整個(gè)渠道壅水沿程升高，并分別在105號(hào)橋、104號(hào)橋、103號(hào)橋、橋98、101號(hào)橋及100號(hào)橋附近形成最大壅水高度為4.8，8.4，4.8，3.6，1.0，1.1 cm。

可以看出，無(wú)論單座橋梁或多座橋梁存在，渠道沿程壅水并非光滑上升曲線，而是除在橋址處存在明顯的壅跌水外，沿程均存在壅水起伏波動(dòng)情況，這說(shuō)明渠道地形或形態(tài)也對(duì)壅水產(chǎn)生一定影響，尤其從102號(hào)橋（清夏橋）處壅水現(xiàn)象可知，102號(hào)橋橋墩信息丟失，數(shù)學(xué)模型中均未在渠道中設(shè)置該橋，但在該橋處仍形成明顯的壅水。通過(guò)檢查地形發(fā)現(xiàn)，由于渠道淤積嚴(yán)重，在橋址斷面兩岸側(cè)形成了高阻水的隘口，造成即使沒(méi)有橋墩阻水，僅受地形影響就在橋址處產(chǎn)生了明顯的壅水現(xiàn)象。同時(shí)，從上述分析可知，隨著橋梁座數(shù)增加，下游橋梁對(duì)上游橋梁的壅水有增加效應(yīng)，上游橋梁對(duì)下游橋梁的壅水影響有減小效應(yīng)，尤其在兩座橋梁距離較近、下游橋梁位于上游橋梁的跌水區(qū)時(shí)，下游橋梁的壅水高度將出現(xiàn)一定程度的減小，但橋梁座數(shù)的增加將使整個(gè)渠道平均壅水高度呈增加趨勢(shì)。

如圖 5所示，在設(shè)計(jì)流量Q=80? m³/s情況：① 當(dāng)單座橋梁105號(hào)橋存在時(shí)，其并未與現(xiàn)狀流量Q=15? m³/s情況呈現(xiàn)的壅水現(xiàn)象相同，其在105號(hào)橋處壅水值為4.1 cm，出現(xiàn)比現(xiàn)狀流量情況壅水值5.8 cm小的情況，但在橋98與103號(hào)橋之間出現(xiàn)3處壅水峰值，且壅水值大于5.8 cm。從地形來(lái)看，雖然橋98與103號(hào)橋不存在，但在該渠段兩岸側(cè)存在局部較高高程區(qū)域，在較大流量情況下，阻水效應(yīng)增加，產(chǎn)生類(lèi)似橋墩阻水的壅水效應(yīng)。② 當(dāng)橋梁105號(hào)橋與104號(hào)橋兩座橋存在時(shí)，橋址處壅水分別為4.1 cm與11.4 cm，同時(shí)在橋98與103號(hào)橋之間出現(xiàn)3個(gè)壅水峰值。③ 當(dāng)橋梁105號(hào)橋、104號(hào)橋及103號(hào)橋3座橋存在時(shí)，橋址處壅水分別為32，10.4 cm及12.5 cm。可以看出上游橋梁增加將減小下游橋梁壅水，而下游橋梁存在將增加上游橋梁壅水。在橋98與103號(hào)橋之間出現(xiàn)3個(gè)壅水峰值。④ 當(dāng)橋梁105號(hào)橋、104號(hào)橋、103號(hào)橋及橋98存在時(shí)，分別在105號(hào)橋、104號(hào)橋、103號(hào)橋及橋98附近形成最大壅水高度為2.8，9.8，11.7 cm及11.7 cm，102號(hào)橋與103號(hào)橋之間出現(xiàn)多個(gè)壅水峰值，且在102號(hào)橋之前產(chǎn)生明顯的渠道整體壅水抬高情況。⑤ 當(dāng)5座橋與6座橋存在時(shí)均出現(xiàn)類(lèi)似現(xiàn)象。同時(shí)，可以看出橋梁座數(shù)的增加將對(duì)渠道平均壅水影響起到增加效應(yīng)，且大流量情況時(shí)，渠道地形的影響將起到更加明顯的作用，也說(shuō)明東風(fēng)渠渠道淤積對(duì)輸水的影響是不可忽略的因素之一。

3.3橋梁距離

本文以?xún)勺鶚蛄翰煌嚯x為例，通過(guò)固定下游105號(hào)橋，依次向上游增加單個(gè)橋梁，以分析橋梁距離對(duì)壅水的影響。如圖6與圖7所示，現(xiàn)狀流量Q為15 m³/s時(shí)，兩橋距離為353，918，1581，2 438 m及3 416 m時(shí)，上游橋梁壅水分別為5.0，18，1.0，0.2，0.5 cm。對(duì)于設(shè)計(jì)流量Q為80 m³/s時(shí)，兩橋距離為353，918，1581，2438 m及3416 m時(shí)，上游橋梁壅水分別為6.5，4.7，4.2，1.0，1.8 cm。首先，可以看出，壅水隨著橋梁距離增大呈減小趨勢(shì)，尤其當(dāng)距離大于2 000 m后，壅水基本保持在1 cm左右。同時(shí)，隨著流量的增大，兩橋之間的壅水影響增加明顯。

3.4影響因子響應(yīng)關(guān)系分析

為了明晰壅水高度與橋梁座數(shù)、橋梁距離及明渠流量之間的響應(yīng)關(guān)系，對(duì)不同流量情況下壅水與橋梁座數(shù)、距離函數(shù)關(guān)系進(jìn)行擬合分析。如圖8所示，隨著橋梁座數(shù)增加，研究渠道平均壅水高度呈增加趨勢(shì)，其平均壅水高度與橋梁座數(shù)之間呈對(duì)數(shù)響應(yīng)關(guān)系。同時(shí)，當(dāng)流量增加，壅水效應(yīng)增加明顯。如圖9所示，隨著橋梁距離增加，上游橋梁處壅水高度呈減小趨勢(shì)，其平均壅水高度與橋梁個(gè)數(shù)之間呈對(duì)數(shù)響應(yīng)關(guān)系。同時(shí)，當(dāng)流量增加，壅水效應(yīng)增加明顯。

4結(jié)論

本文通過(guò)建立二維水動(dòng)力模型，采用實(shí)測(cè)資料與數(shù)值模擬方法研究了成都市東風(fēng)渠典型渠段橋梁壅水影響，對(duì)不同橋梁個(gè)數(shù)與不同橋梁距離情況下渠道壅水影響進(jìn)行模擬研究，研究成果可為橋梁壅水研究提供參考，研究結(jié)論如下：

（1） 橋梁座數(shù)增加將增大上游橋梁處壅水，對(duì)下游橋梁處壅水影響有減小效應(yīng)，但橋梁座數(shù)增加將使得整個(gè)渠道的平均壅水高度增加。不同設(shè)計(jì)流量情況下，當(dāng)橋梁座數(shù)從1座增加到6座時(shí)，其平均壅水高度增加幅度達(dá)26.7%～48.2%。同時(shí)，橋梁座數(shù)與渠道平均壅水高度之間符合對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系。

（2） 隨著橋梁間距離增加，其壅水也逐漸減小。以?xún)勺鶚驗(yàn)槔?dāng)距離大于2 000 m后，壅水基本保持在1 cm左右。同時(shí)，橋梁距離與渠道壅水高度之間也符合對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系。

（3） 隨著流量增大，渠道不同橋梁處壅水明顯增大，且隨著流量增大，地形在壅水影響中起到不可忽略的影響。對(duì)于東風(fēng)渠工程中，不僅橋梁存在對(duì)渠道壅水產(chǎn)生一定影響，渠道淤積也將對(duì)壅水產(chǎn)生較大影響，因此，建議著重考慮渠道清淤處理，以增加渠道輸水能力及減小漫堤風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于國(guó)內(nèi)沿江城市，大量橋梁的建設(shè)將對(duì)城市防洪產(chǎn)生一定影響，定期的河道清淤將對(duì)航道及防洪產(chǎn)生有利影響。

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（編輯：江文）

Numerical simulation analysis of influence of bridge group on backwater in open channel

YAN Jiechao

（POWERCHINA Jiangsu Engineering Corporation Limited ，Nanjing 211100，China）

Abstract：In order to solve the problem of the backwater effect caused by urban open channel bridge group，taking Dongfeng Channel as an example，a two-dimensional hydrodynamic mathematical model of Dongfeng Channel bridge group was established，and the effects of the number of bridges，distance and discharge on the backwater effect of bridge group were analyzed.The results showed that the effect of bridge backwater was closely related to the number，distance and discharge of bridges，With the increase of the number of bridges upstream，the upstream backwater height increased correspondingly.With the increase of the distance between bridges，the height of backwater in the upper reaches of open channel decreased accordingly.The height of backwater increased with the increase of design flow.Based on the analysis of the relationship between the number of bridges，the distance of bridges and the change of flow on the effect of bridge group backwater，it was concluded that the average backwater height increased with the increase of bridge number，but decreased with the increase of bridge distance.At the same time，the backwater effect increased obviously when the discharge increases.

Key words：open channel； bridge group； backwater； hydrodynamic mathematical model； Dongfeng channel