不同橋墩概化方法對河道壅水模擬影響分析

摘要：在利用MIKE11對橋梁壅水進行計算時，不同的橋墩概化方法會對計算結果產生不同影響。基于MIKE11比較分析了內置構筑物法、等效過水面積法、更改地形法3種不同的橋墩概化方法對河道壅水高度、長度計算結果的影響。結果表明：等效過水面積法、更改地形法操作簡便、參數較少、模型穩定、計算結果可靠、適用性強；內置構筑物法計算得到的壅水高度和長度較大，且模型穩定性較差、易發散。研究成果可為橋梁設計和河道管理提供參考。

關鍵詞：橋墩壅水計算； MIKE11； 橋梁設計； 河道管理

中圖法分類號：TU442

文獻標志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.11.013

文章編號：1006-0081（2024）11-0083-05

0 引 言

橋梁工程在跨越河流時會對河道的自然流動造成干擾，引發一系列水力學和環境問題［1］。尤其是河道內的橋墩，會改變河道局部地形、縮窄河道行洪斷面、顯著影響局部水流形態，導致橋位河段水位壅高［2-3］。河道水位壅高對河流環境、基礎設施及沿岸地區帶來多方面的危害。對橋梁結構安全而言，增大的水流壓力和紊動可能導致橋墩基礎沖刷，危及橋梁穩定性和承載能力［4- 5］；對于河道而言，橋墩改變水流速度和方向，導致河床局部侵蝕和淤積，影響河道長期穩定性，特別在洪水期還會增加堤防壓力，削弱防洪能力［6］，增大漫堤和堤防潰決風險。為確保橋梁建設對河道行洪、堤防安全影響可控，同時保障自身結構安全，準確計算和控制橋梁建設引起的壅水高度至關重要［7］。

目前，橋梁壅水的計算主要分為經驗公式法和數值模擬法兩類。經驗公式法多基于簡化的假定條件，有各自的適用范圍，仍處于“半經驗半理論”狀態［8-9］；數值模擬法因其準確度較高，在重大項目以及影響較大的項目中廣泛應用［10］。數值模擬過程中，阻水構筑物概化的情況直接影響到計算結果的可信度，二維模型中已有相關研究成果［11- 12］，但一維模型相關研究較少。本文以廣州市花地河為例，基于MIKE11模型，對比分析內置構筑物法、等效過水面積法和更改地形法3種不同的橋墩概化方法對白鶴沙大橋主橋壅水高度及長度計算結果的影響，全面評估不同概化方法在模擬壅水高度方面的準確性、穩定性和適用性。

1 研究方法

1.1 內置構筑物法

通過MIKE11內置建筑物模塊設置橋梁，橋梁計算采用能量方程法模型。計算原理如下：

hi-1+hv（i-1）=hi+hvi+hf（i，i-1）+he（i，i-1）（1）

hv=αQ22gA2（2）

α=∑Ni=1k3i/a2iK3/A3（3）

K=∑Ni=1ki（4）

A=∑Ni=1ai（5）

式中：hi為斷面i的水位，m；hvi為斷面i的流速水頭，m；hv為流速水頭，m；hi-1與hv（i-1）分別為斷面i-1的水位、流速水頭；hf（i，i-1）為斷面i與斷面i-1間摩擦損失，m；he（i，i-1）為斷面i與斷面i-1間膨脹損失，m；Q為斷面流量，m3/s；α為流速分布系數；ki為微元流通量，m3/s；ai為微元面積，m2；K為斷面總流通量，m3/s；A為斷面總面積，m2；N為微元數量；g為重力加速度，m/s2。

1.2 等效過水面積法

通過改變阻水建筑物斷面，保持斷面形狀不變，改變斷面寬度，使在各水位條件下斷面過水面積保持相同。該方法通過改變河道斷面的水力半徑從而降低河道的過水能力，使等效后的過水能力與建筑物影響下的過水能力一致。等效過水面積法概化斷面見圖1。

由于橋墩的阻水作用不僅體現在縮窄過流面積，還在于對流態、河道糙率的影響。橋墩所在斷面采用的等效糙率nt計算方法［13］如下：

nt=A′2CDH1/31gn2ΔS+1n（6）

式中：nt為等效糙率；H為水深；A′為樁柱在垂直水流方向上的投影面積；CD為拖曳力系數；ΔS為計算單元面積，本次計算以橋墩占用河道面積為計算單元面積；n為河床糙率。

1.3 更改地形法

根據橋墩所在位置，將橋墩所在位置地形進行抬高，結合橋梁墩柱淹沒狀態確定橋墩處地形頂高程，使得河道斷面因橋墩阻水分為多個部分。在計算中，橋位斷面等效糙率計算方法同等效過水面積法。更改地形法概化斷面見圖2。

2 研究區域概況

花地河位于廣州市西南部的荔灣區，是珠江西航道的一條支流。花地河為南北走向，北接珠江西航道，南連平洲水道，河道總長約8.44 km，河道南寬北窄，北端寬約40～60 m，南端寬110～148 m，沿岸有葵蓬圍、廣佛河等13條河涌匯入。

白鶴沙大橋主橋自西向東跨越花地河，起點接順洪石坊路，自西向東跨越花地河，終點接順白鶴沙三街，為海龍科創區內的跨河通道，將為廣佛新城的交通連接和區域融合提供重要支撐。白鶴沙大橋主橋橋梁軸線基本與主河槽水流反向垂直，橋梁總長465 m，橋跨組合為（4×35 m）+（52.5 m+60.0 m+52.5 m）+（2×35 m）+（3×30 m）變截面現澆梁，布置5號、6號兩組橋墩于河道內，其中5號橋墩為2根柱式墩，單根墩柱尺寸為2.0 m×2.0 m，6號橋墩采用板式墩，垂直水流方向寬2.0 m。橋梁阻水比見表1。

3 模型構建及率定

3.1 模型構建

采用一維非恒定流的基本方程組，圣維南方程組作為控制方程。

連續方程：

Zt+1BQx=qB（7）

動量方程：

Qt+gA-Q2A2BZx+2QAQx=-gn2QQAR4/3+Q2A2AxZ（8）

式中：Z為水位；A為過水面積；B為水面寬；t為時間；Q為流量；R為水力半徑；n為曼寧糙率系數；x為沿河距離；g為重力加速度；q為單位河長側向入流量，流入為正，流出為負。

花地河是西北江三角洲網河區河道之一，南通平洲水道，北接珠江前航道，中部有廣佛河匯入。為簡化研究，選取花地河與廣佛河交匯口至花地河與平洲水道交匯口為本文模型范圍，見圖3，河道總長度約4.63 km。花地河計算區域見圖4。河道斷面采用2020年實測大斷面數據，斷面間隔為500 m。考慮到壅水范圍的準確性，對橋位上游河段斷面進行加密，模擬河段共布置斷面12個（圖4），橋墩所在河道斷面見圖5。

3.2 計算邊界

模型邊界條件上邊界采用流量邊界，下邊界采用水位邊界。根據《西、北江下游及其三角洲網河河道設計洪潮水面線（試行）》，模型邊界各頻率設計流量、水位見表2。

3.3 模型驗證與率定

根據《西、北江下游及其三角洲網河河道設計洪潮水面線（試行）》，對花地河各頻率設計水面線進行模型率定與驗證。根據《水力學》，河段順直，斷面規整，兩岸岸壁整齊的河道糙率一般取值范圍為0.02～0.024。經率定，當糙率為0.022時，模型計算得到的水位誤差在±0.01m以內，水位率定成果見表3。因此，可采用該模型進行橋墩壅水影響的計算分析。

4 結果分析

4.1 壅水高度分析

因橋墩布置于河道內，縮窄了河道行洪斷面，改變了局部水流條件，使得水位壅高，而河道水位直接影響到河道兩岸堤防的防洪防潮能力。根據相關技術要求，河道內建設項目導致的壅水高度應控制在一定范圍內。

橋梁的阻水影響范圍發生在橋梁上游，即來流方向，水位壅高最大值均位于與橋位距離最近的上游斷面。橋位斷面水位因過水斷面縮窄，水位有所壅高，橋位下游水位變化較小，或基本無變化。

對比不同概化方法下各水位的壅水高度計算結果（表4）可以看出，不同的橋墩概化方法對壅水高度的影響規律相似，總體上表現為內置構筑物法gt;更改地形法=等效過水面積法。具體說來，更改地形法與等效過水面積法計算成果基本一致，差值在0.1 cm以內，內置構筑物法計算成果與其他兩種概化方法計算成果差異較大，存在數量級上的差距。

白鶴沙大橋主線橋跨花地河處河寬約110 m，河道底高程約-0.62 m，在各級頻率洪水條件下行洪面積均在450 m2以上，結合各級頻率下橋梁涉河處設計洪水，橋梁涉河處斷面平均流速在0.12 m/s以下，根據經驗以及阻水比判斷，在設計頻率洪水條件下，該橋梁建設引起的河道水位壅高應極小，內置構筑物法計算成果明顯偏大，與實際不符。

4.2 壅水長度分析

因橋墩建設阻水，不僅影響橋墩所在斷面，還影響橋位附近河段，主要是因橋位水面抬高，橋位上游水位壅高，這對壅水影響范圍內各項涉水建筑物，如橋梁、堤防、水閘、泵站等有一定不利影響。

根據表5中各組模擬計算方案下壅水長度結果可得，不同的橋墩概化方式對壅水長度的影響程度具有相似規律，總體上表現為內置構筑物法gt;等效過水面積法=更改地形法。具體說來，內置構筑物法計算所得壅水長度最長，各設計頻率洪水條件下壅水長度均在1 290 m以上，超出模型計算范圍；等效過水面積法與更改地形法計算所得壅水長度基本相當，壅水長度為660～960 m，且壅水長度基本呈現洪水流量越大，壅水長度越長的趨勢。

4.3 概化方法適應性分析

內置構筑物法主要適用于矩形河道，需結合橋位斷面情況選擇合適的概化計算模型，并需要根據計算模型輸入過水斷面幾何要素、橋墩順水流方向寬度、河床坡降、阻力系數、能量損失系數等要素。其壅水效果主要取決于阻力系數、能量損失系數的大小，而阻力系數、能量損失系數多依賴于經驗取值，因此計算成果準確性依賴經驗，且添加構筑物情況下模型穩定性較差，更易發散，無法得到有效結果。

等效過水面積法保持斷面水力半徑相同，能一定程度上概化過水斷面橋墩阻水情況，僅需根據各水位條件下橋墩阻水寬度便能基于現狀地形得到概化后的河道斷面。但橋墩阻水不僅體現在縮窄河道斷面上，還表現在改變河道局部水流流態，增加了能量耗散方面。等效過水面積法一定程度上忽略了因橋梁建設導致的繞流、紊流造成的能量損失，其計算值較實際值偏小。

更改地形法根據過水斷面阻水橋墩分布情況繪制工程建成后河道斷面，能反映因橋墩建設導致的繞流、紊流產生的能量損失，但概化后橋墩上下游斷面變化大，橋位斷面突變明顯，單一橋墩時模型穩定性良好，但當同一斷面橋墩數量較多時，模型穩定性極差，橋墩上下游水位差與實際相差極大，甚至無法得到有效結果。

5 結 論

本文對比了MIKE11水動力數學模型不同橋梁概化方法對壅水高度、壅水長度的影響，發現在一般情況下，內置構筑物法計算所得壅水高度、長度最大，且模型穩定性不足；等效過水面積法、更改地形法能在一定程度上反映因橋墩建設導致的能量損失，且操作簡單，參數少，模型穩定性高，結果相對可靠，有較強的適應性，能彌補經驗公式法的不足。

本研究主要基于一維水動力模型，下一步將進一步考慮三維流場和復雜流態對壅水高度的影響與模擬多橋墩情況下的壅水效應。

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（編輯：江 文）

Influence analysis of different pier generalization methods on simulation of backwater in river channel

HU Cheng1，WU Yue2

（1.Guangdong Hydropower Planning amp; Design Institute Co.，Ltd.，Guangzhou 510635，China； 2.Nanjing Water Planning and Designing Institute Corp.Ltd.，Nanjing 210006，China）

Abstract：

When utilizing MIKE11 for the simulation of backwater in river channel caused by bridge，different pier generalization methods significantly influences the results.We analyzed the influence of three pier generalization methods of the built-in structure method，the equivalent overflow area method，and the terrain alteration method on the height and length of backwater in the river.The findings indicated that the equivalent overflow area method and the terrain alteration method were easy to operate，involved fewer parameters，ensured model result stability，and had a good applicability.In contrast，the built-in structure method tended to overestimate the backwater height and length and exhibits inferior model stability，with a propensity for divergence.The research results can provide a reference for bridge design and river management.

Key words：

backwater calculation of bridge pier； MIKE11； bridge design； river management