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)生的壅水影響問題，以成都市重要輸水明渠東風渠為例，建立了東風渠涉水橋梁群的平面二維水動力數(shù)學模型，分析了橋梁座數(shù)、橋梁間距、明渠流量對橋梁群壅水的影響，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：橋梁壅水與橋梁個數(shù)、距離及流量密切相關(guān)，即隨著明渠上游橋梁個數(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)、橋梁距離均呈對數(shù)函數(shù)分布，且當流量增加時，壅水效應(yīng)明顯。

關(guān)鍵詞：輸水明渠； 橋群； 壅水； 水動力數(shù)學模型； 東風渠

中圖法分類號：TV68

文獻標志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.12.013

文章編號：1006-0081（2023）12-0076-06

0引言

橋墩壅水作為一個傳統(tǒng)的水力學問題，逐漸成為城市河道或渠道行洪排澇關(guān)注的熱點。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)，導致兩岸水位壅高，削弱河道行洪或渠道輸水能力，已經(jīng)嚴重影響到城市涉河交通建設(shè)的進一步發(fā)展［1-2］。

關(guān)于橋墩壅水問題，常見的有經(jīng)驗公式、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)驗性限制。經(jīng)驗公式方法雖簡單便捷，但只能用以粗略求解橋前壅水值以及壅水影響范圍。對于復(fù)雜的河道和橋梁問題，不同公式用在不同橋梁中計算偏差較大［3］。隨著近代計算機技術(shù)的不斷進步，水動力數(shù)值模型得到了廣泛的應(yīng)用。目前，對于單個橋墩壅水影響的研究較多，而對橋群引起的壅水影響研究較少［4-8］。袁玉等［9］利用HEC-RAS的橋梁壅水計算模型，以重慶市向陽水庫國道復(fù)建工程中的兩座橋梁為研究對象開展實例研究。任梅芳等［10］通過MIKE 21對海南南渡江橋群壅水影響進行研究，并對數(shù)值結(jié)果與實測值及經(jīng)驗公式值對比，認為數(shù)學模型能夠較好地模擬復(fù)雜地形，得到更加合理的計算結(jié)果。王恒山［11］通過數(shù)學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題，研究發(fā)現(xiàn)橋梁對其上游水位的影響與橋墩的形狀、數(shù)量密切相關(guān)。吳時強等［1］通過數(shù)值模擬方法對南京市秦淮河橋梁群形成的疊加阻水效應(yīng)進行研究，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輸水明渠二維水動力數(shù)學模型，以研究橋梁座數(shù)、橋梁間距、明渠流量對壅水的影響。

1研究區(qū)域概況

東風渠位于四川成都市，總干渠全長54.30 km，設(shè)計流量80 m³/s，河寬25～40 m，河底寬10～20 m，河底高程507～514 m。東風渠取水樞紐在進水樞紐閘（府河閘）左岸取水，其主要水源來源于岷江流域，流經(jīng)成都市的郫縣、新都、金牛、成華、龍泉等區(qū)縣，對成都市經(jīng)濟社會和文化的繁榮做出了巨大貢獻［12-13］。由于東風渠涉水建筑物較多，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，加之渠道淤積嚴重，現(xiàn)狀過流流量僅15 m³/s，嚴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，本文選取東風渠上游電站水閘-金芙蓉大道典型段開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號橋、101號橋（云板橋）、102號橋（清夏橋）、橋98、橋97（S105省道）、103號橋、104號橋及105號橋（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，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)見表1。

2數(shù)學模型及計算條件

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

2.1數(shù)學模型

控制方程分為連續(xù)方程與動量方程［1，14］：

2.2計算條件選取

2.2.1計算范圍及網(wǎng)格劃分

考慮到東風渠干渠較長，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重，導致整個河段水文及地形等因素復(fù)雜，為簡化研究，選取東風渠上游電站水閘-金芙蓉大道典型段為本文模型范圍，總長度約為4.5 km，見圖2。計算網(wǎng)格選用邊界擬合度較好的三角形非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，見圖3。網(wǎng)格劃分整體網(wǎng)格尺度為2.0 m。同時，考慮到模擬渠段不同布置及形狀橋墩存在，對橋墩附近網(wǎng)格進行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，以更加精細地反映橋墩對其附近水流的影響。以6座涉水橋梁均存在的實際現(xiàn)狀為例，模型網(wǎng)格劃分個數(shù)為76 806個。

2.2.2計算邊界及水位條件

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，對現(xiàn)有橋墩采用不過水邊界處理。同時，計算邊界及水位條件采用現(xiàn)狀條件與設(shè)計條件兩種情況。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)計條件上游流量Q為80 m³/s，下游水位h為510.704 m，見表2。

2.3模型驗證與率定

根據(jù)現(xiàn)狀條件對模型進行驗證與率定，采用鄰近研究渠段橋梁處測量斷面水位進行模型驗證（部分橋梁位置與測量斷面較遠，則不采用該橋梁處水位進行驗證）。根據(jù)相關(guān)研究［15］，東風渠底部及兩側(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)過率定，當糙率n為0.01時，模型計算得到的水位誤差在±2.0 cm以內(nèi)，可采用建立的數(shù)學模型進行橋墩壅水影響的二維水動力模擬計算（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），具體驗證結(jié)果見表3。

3橋群壅水影響分析

3.1計算工況

河道或渠道連續(xù)布置多座橋梁時將引起上游壅水形成累積效應(yīng)，橋墩的布置形式、個數(shù)及間距等均對壅水效應(yīng)產(chǎn)生影響。因此，需要對橋梁座數(shù)、間距及流量進行設(shè)置，具體模擬工況見表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。本文分別考慮無橋梁（天然渠道）、橋梁座數(shù)為1，2，3，4，5，6時渠道沿程的壅水變化，以定量分析不同橋梁座數(shù)對渠道壅水累積影響。

如圖4所示，在現(xiàn)狀流量Q=15 m³/s情況：① 當單座橋梁105號橋存在時，整個渠道壅水沿程升高，并在105號橋附近形成最大壅水高度為5.8 cm。② 當橋梁105號橋與104號橋這兩座橋存在時，整個渠道壅水沿程升高，并分別在105號橋與104號橋附近形成最大壅水高度為5.4 cm與9.5 cm。③ 當橋梁105號橋、104號橋及103號橋這3座橋存在時，整個渠道壅水沿程升高，并分別在105號橋、104號橋及103號橋附近形成最大壅水高度為4.9，8.7 cm及5.3 cm。④ 當橋梁105號橋、104號橋、103號橋及橋98這4座橋存在時，整個渠道壅水沿程升高，并分別在105號橋、104號橋、103號橋及橋98附近形成最大壅水高度為4.8，8.6，4.9 cm及3.8 cm。⑤ 當橋梁105號橋、104號橋、103號橋、橋98及101號橋這5座橋存在時，整個渠道壅水沿程升高，并分別在105號橋、104號橋、103號橋、橋98及101號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 當橋梁105號橋、104號橋、103號橋、橋98、101號橋及100號橋這6座橋存在時，整個渠道壅水沿程升高，并分別在105號橋、104號橋、103號橋、橋98、101號橋及100號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情況，這說明渠道地形或形態(tài)也對壅水產(chǎn)生一定影響，尤其從102號橋（清夏橋）處壅水現(xiàn)象可知，102號橋橋墩信息丟失，數(shù)學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。通過檢查地形發(fā)現(xiàn)，由于渠道淤積嚴重，在橋址斷面兩岸側(cè)形成了高阻水的隘口，造成即使沒有橋墩阻水，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，從上述分析可知，隨著橋梁座數(shù)增加，下游橋梁對上游橋梁的壅水有增加效應(yīng)，上游橋梁對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，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)的增加將使整個渠道平均壅水高度呈增加趨勢。

如圖 5所示，在設(shè)計流量Q=80? m³/s情況：① 當單座橋梁105號橋存在時，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。從地形來看，雖然橋98與103號橋不存在，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)生類似橋墩阻水的壅水效應(yīng)。② 當橋梁105號橋與104號橋兩座橋存在時，橋址處壅水分別為4.1 cm與11.4 cm，同時在橋98與103號橋之間出現(xiàn)3個壅水峰值。③ 當橋梁105號橋、104號橋及103號橋3座橋存在時，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號橋之間出現(xiàn)3個壅水峰值。④ 當橋梁105號橋、104號橋、103號橋及橋98存在時，分別在105號橋、104號橋、103號橋及橋98附近形成最大壅水高度為2.8，9.8，11.7 cm及11.7 cm，102號橋與103號橋之間出現(xiàn)多個壅水峰值，且在102號橋之前產(chǎn)生明顯的渠道整體壅水抬高情況。⑤ 當5座橋與6座橋存在時均出現(xiàn)類似現(xiàn)象。同時，可以看出橋梁座數(shù)的增加將對渠道平均壅水影響起到增加效應(yīng)，且大流量情況時，渠道地形的影響將起到更加明顯的作用，也說明東風渠渠道淤積對輸水的影響是不可忽略的因素之一。

3.3橋梁距離

本文以兩座橋梁不同距離為例，通過固定下游105號橋，依次向上游增加單個橋梁，以分析橋梁距離對壅水的影響。如圖6與圖7所示，現(xiàn)狀流量Q為15 m³/s時，兩橋距離為353，918，1581，2 438 m及3 416 m時，上游橋梁壅水分別為5.0，18，1.0，0.2，0.5 cm。對于設(shè)計流量Q為80 m³/s時，兩橋距離為353，918，1581，2438 m及3416 m時，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，尤其當距離大于2 000 m后，壅水基本保持在1 cm左右。同時，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，對不同流量情況下壅水與橋梁座數(shù)、距離函數(shù)關(guān)系進行擬合分析。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，其平均壅水高度與橋梁座數(shù)之間呈對數(shù)響應(yīng)關(guān)系。同時，當流量增加，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，其平均壅水高度與橋梁個數(shù)之間呈對數(shù)響應(yīng)關(guān)系。同時，當流量增加，壅水效應(yīng)增加明顯。

4結(jié)論

本文通過建立二維水動力模型，采用實測資料與數(shù)值模擬方法研究了成都市東風渠典型渠段橋梁壅水影響，對不同橋梁個數(shù)與不同橋梁距離情況下渠道壅水影響進行模擬研究，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)增加將使得整個渠道的平均壅水高度增加。不同設(shè)計流量情況下，當橋梁座數(shù)從1座增加到6座時，其平均壅水高度增加幅度達26.7%～48.2%。同時，橋梁座數(shù)與渠道平均壅水高度之間符合對數(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。以兩座橋為例，當距離大于2 000 m后，壅水基本保持在1 cm左右。同時，橋梁距離與渠道壅水高度之間也符合對數(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。對于東風渠工程中，不僅橋梁存在對渠道壅水產(chǎn)生一定影響，渠道淤積也將對壅水產(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險。對于國內(nèi)沿江城市，大量橋梁的建設(shè)將對城市防洪產(chǎn)生一定影響，定期的河道清淤將對航道及防洪產(chǎn)生有利影響。

參考文獻：

［1］吳時強，薛萬云，吳修鋒，等.城市行洪河道橋群阻水疊加效應(yīng)量化研究［J］.人民黃河，2019，41（10）：96-102.

［2］滕兆明，王永紅，班玉龍，等.平原河網(wǎng)圩區(qū)超標準洪水防御對策研究——以昆山市為例［J］.水利水電快報，2022，43（9）：8-12.

［3］王玲玲，張鳳山，唐洪武.平原河道橋墩阻水比與壅水特性關(guān)系［J］.河海大學學報（自然科學版），2016，44（5）：386-392.

［4］閆杰超，徐華，焦增祥.基于動量守恒的橋墩壅水預(yù)測及數(shù)值模擬［J］.人民長江，2020，51（增2）：280-284.

［5］HUNT J，BRUNNER G W，LAROCK B E.Flow transitions in bridge backwater analysis［J］.Journal of Hydraulic Engineering，1999，125（9）：981-983.

［6］MOHAMED，AHMED，ABDEL，et al.Effect of erodible bed on backwater rise due to bridge piers only in case of subcritical flow［J］.American Journal of Water Science & Engineering，2016，2（2）：6-13.

［7］王濤，郭新蕾，李甲振，等.河道糙率和橋墩壅水對寬淺河道行洪能力影響的研究［J］.水利學報，2019，50（2）：175-183.

［8］韓露，張景新，魏清福，等.明渠流動條件下單圓墩阻水效應(yīng)實驗研究［J］.水動力學研究與進展A輯，2015，30（2）：208-214.

［9］袁玉，巴歡歡，胡學東，等.基于HEC-RAS的水庫壩址上下游橋梁工程壅水計算分析［J］.水利水電快報，2023，44（1）：77-80，86.

［10］任梅芳，徐宗學，蘇廣新.基于二維水動力模型與經(jīng)驗公式的橋梁壅水計算及其對比分析［J］.水力發(fā)電學報，2017，36（5）：78-87.

［11］王恒山.沙河密集橋梁群對河道行洪累積效應(yīng)研究［J］.人民長江，2016，47（21）：4-8.

［12］白文斌，馮颯，萬忠海，等.既有渡槽結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測系統(tǒng)分析與應(yīng)用——以四川省東風渠灌區(qū)渡槽為例［J］.人民長江，2021，52（5）：218-222.

［13］馮颯，白文斌，王靈鴿.渡槽工程結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測方案應(yīng)用——以東風渠天宮橋渡槽和黎家溝渡槽為例［J］.水利與建筑工程學報，2020，18（2）：154-158.

［14］黃婷婷，榮艷淑，王冬梅.基于MIKE21 FM模型的退圩還湖工程湖區(qū)洪水特征分析［J］.水利水電快報，2021，42（10）：27-31，37.

［15］衛(wèi)小麗，章少輝，白美健.灌區(qū)明渠糙率及其計算方法［J］.節(jié)水灌溉，2021（12）：14-20.

（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