王加建，陳懿強(qiáng)，楊之彥

（中交上海航道勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200120）

關(guān)鍵字：MIKE 21；防撞設(shè)施；紊流寬度

引言

上海市內(nèi)河航道“船舶大型化”的現(xiàn)象已經(jīng)比較普遍。2010年至2016年，上海內(nèi)河轄區(qū)進(jìn)出港船舶平均載重噸從 450 t上升至 650 t，提高了約44 %，以每年5 %的速度增長(zhǎng)，充分顯示了船舶大型化的發(fā)展趨勢(shì)。2016年2月23日，上海市交通委組織召開(kāi)了“內(nèi)河大船進(jìn)港危及橋梁隱患處置工作”專題研討會(huì)，指出：上海市超航道等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的大型船舶對(duì)跨航道橋梁的安全風(fēng)險(xiǎn)與日俱增，一旦發(fā)生大型船舶撞擊重點(diǎn)公路、鐵路及軌道交通橋的重特大事故，后果將十分嚴(yán)重，船舶大型化帶來(lái)的一系列問(wèn)題要引起高度重視。委領(lǐng)導(dǎo)強(qiáng)調(diào)，要始終把安全問(wèn)題放在第一位。船舶大型化對(duì)航道及橋梁等基礎(chǔ)設(shè)施的安全影響是行業(yè)管理中不可回避的短板問(wèn)題之一，要防患于未然，盡快開(kāi)展切實(shí)有效的應(yīng)對(duì)措施和手段。全面摸排調(diào)查內(nèi)河航道上橋梁現(xiàn)狀情況，對(duì)既有水中設(shè)墩橋梁按照輕重緩急設(shè)置防護(hù)設(shè)施勢(shì)在必行。

由于橋梁防撞設(shè)施方案復(fù)雜以及不同航道地形的不同，防撞設(shè)施布設(shè)后可能對(duì)橋梁航段通航安全造成影響，因此本文以茹塘大橋和中運(yùn)河橋?yàn)槔?，采用MIKE 21建立開(kāi)展了二維水流數(shù)學(xué)模型，研究防撞設(shè)施的布設(shè)對(duì)于橋墩處紊流寬度的影響。

1 規(guī)范中的方法

現(xiàn)狀通航凈寬值可由橋墩內(nèi)凈距-紊流寬度得出。紊流寬度的計(jì)算按照《內(nèi)河航道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》12.2.4節(jié)第5條紊流計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算。

式中：

E1為通航孔兩側(cè)橋墩紊流寬度標(biāo)準(zhǔn)值（m）；

K1為與橋墩形狀相關(guān)系數(shù)，圓頭墩取 0.8，尖頭墩取0.66，方頭墩取1.2；

v為墩前水流流速（m/s），取v=1.5 m/s；

b為橋墩投影到航道中心法向?qū)挾龋╩），對(duì)于圓頭墩、尖頭墩，b=（墩長(zhǎng)-墩寬）sinα+墩寬，對(duì)于方頭墩，b=（墩長(zhǎng)×sinα+墩寬×cosα）；

h為橋墩附近水深，按設(shè)計(jì)最高通航水位起算。考慮到日后航道維護(hù)疏浚，此處采用航道規(guī)劃等級(jí)對(duì)應(yīng)的航道規(guī)劃低標(biāo)高進(jìn)行計(jì)算。

經(jīng)過(guò)計(jì)算，布設(shè)防撞設(shè)施前，茹塘大橋最終紊流寬度取值3.39 m。布設(shè)防撞設(shè)施后，南側(cè)通航孔一側(cè)為 B1型防撞墩，一側(cè)為柔性防護(hù)，最終紊流寬度取值3.74 m。北側(cè)柔性防護(hù)最終紊流寬度取值3.69 m。

布設(shè)防撞設(shè)施前，中運(yùn)河橋最終紊流寬度取值3.27 m。布設(shè)防撞設(shè)施后，中運(yùn)河橋最終紊流寬度取值1.99 m。

2 數(shù)值模型的建立

2.1 基本方程[1-5]

采用丹麥水力研究所（DHI）研發(fā)的MIKE 21軟件進(jìn)行計(jì)算網(wǎng)格生成、地形處理和水流計(jì)算等。MIKE 21屬于平面二維自由表面流模型，廣泛運(yùn)用于海洋、湖泊、河道及蓄滯洪區(qū)的流場(chǎng)、流速、水位等方面的模擬，能夠獲得不同水文要素的時(shí)空分布及洪水淹沒(méi)信息[6]。

MIKE 21水動(dòng)力學(xué)模塊是本次風(fēng)險(xiǎn)分析模擬最核心的基礎(chǔ)模塊。水流模擬基于的控制方程是不可壓流三維雷諾Navier-Stokes平均方程沿水深積分的連續(xù)方程和動(dòng)量方程，其連續(xù)性方程、X和Y方向動(dòng)量方程如下[7]：

式中：

t為時(shí)間；

x,y為直角坐標(biāo)系坐標(biāo)；

η為水位；

d為靜止水深；

h=η+d為動(dòng)態(tài)水深；

,為x,y方向上的垂線平均速度；

f=2Ωsinφ為柯氏力參數(shù)（Ω為地球旋轉(zhuǎn)角速度，φ為緯度）；

g為重力加速度；

ρ為水體密度；

ρ0為水體參照密度；

Sxx,Sxy,Syx,Syy為輻射應(yīng)力分量；

τxx,τxy,τyx,τyy為剪切應(yīng)力分量；

S為點(diǎn)源的流量；

us,vs為水質(zhì)點(diǎn)速度在x,y方向上的分量；

Txx,Txy,Tyy為側(cè)向壓力，表達(dá)式為

2.2 茹塘大橋數(shù)值模型的建立

1）模型建立與網(wǎng)格劃分

葉新公路橋（茹塘大橋）橋梁現(xiàn)狀橋墩內(nèi)凈距為17 m，橋墩周圍存在一定的紊流。布設(shè)防撞設(shè)施后，橋墩周圍的紊流范圍會(huì)相應(yīng)的發(fā)生變化。本次橋梁防撞設(shè)施在橋墩南側(cè)通航孔布置2座B1型防撞墩、非通航孔布置2座φ400組合鋼管樁，橋墩通航孔側(cè)布設(shè)復(fù)合防護(hù)材料。

模型概化范圍上游至北石港，下游至向蕩港。模型概化采用三角形網(wǎng)格對(duì)模型區(qū)域進(jìn)行剖分，準(zhǔn)確貼合復(fù)雜多變的河道岸線及工程方案平面布置，邊界附近網(wǎng)格邊長(zhǎng)較大，約為13 m；從邊界至工程區(qū)域網(wǎng)格逐漸加密，工程局部區(qū)域網(wǎng)格邊長(zhǎng)最小為0.6 m。圖1為模型計(jì)算區(qū)域及局部區(qū)域網(wǎng)格布置示意。

圖1 計(jì)算區(qū)域及網(wǎng)格示意

2）計(jì)算工況及水文條件

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，本次計(jì)算采通航最高水位（4.15 m）與最低水位（2.00 m）對(duì)茹塘大橋防撞實(shí)施前后的水流條件進(jìn)行計(jì)算分析，根據(jù)內(nèi)河航道工程設(shè)計(jì)規(guī)范第12.2.4條，對(duì)于閘控航道，墩前水流流速應(yīng)取最大引排水流量時(shí)的水流流速，且不得小于1.5 m/s。因此本次水流流速采用1.5 m/s進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算工況分為高水位時(shí)茹塘大橋橋梁防撞實(shí)施前和防撞實(shí)施完成后以及低水位時(shí)茹塘大橋橋梁防撞實(shí)施前和防撞實(shí)施完成后四種工況。

工況 1：防撞設(shè)施實(shí)施前橋區(qū)河段高水位；工況2：防撞設(shè)施實(shí)施后橋區(qū)河段高水位。

2.3 中運(yùn)河橋數(shù)值模型的建立

1）模型建立與網(wǎng)格劃分

松衛(wèi)南路橋（中運(yùn)河橋）橋墩內(nèi)凈距現(xiàn)為21.9 m，在承臺(tái)上下游兩側(cè)布置φ400組合鋼管樁。

模型概化范圍上游至龍泉港，下游至慧高涇，全長(zhǎng)19 km。模型概化采用三角形網(wǎng)格對(duì)模型區(qū)域進(jìn)行剖分，準(zhǔn)確貼合復(fù)雜多變的岸線及工程方案平面布置，邊界附近網(wǎng)格邊長(zhǎng)較大，約為18 m；從邊界至工程區(qū)域網(wǎng)格逐漸加密，工程局部區(qū)域網(wǎng)格邊長(zhǎng)最小為0.5 m。圖2為模型計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格。

圖2 計(jì)算區(qū)域及網(wǎng)格

2）計(jì)算工況及水文條件

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，本次計(jì)算采用最高通航水位對(duì)中運(yùn)河橋防撞實(shí)施前后的水流條件進(jìn)行計(jì)算分析。計(jì)算工況分為中運(yùn)河橋梁防撞實(shí)施前和防撞實(shí)施完成后兩種工況。

實(shí)施前和實(shí)施后水文條件相同。根據(jù)《上海市內(nèi)河航道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》，對(duì)于閘控航道，墩前水流流速應(yīng)取最大引排水流量時(shí)的水流流速，且不得小于1.5 m/s，報(bào)告取1.5 m/s。利用航道上下游相鄰水文站設(shè)計(jì)通航水位值，通過(guò)內(nèi)插得出最高通航水位為3.55 m，過(guò)水流量為200 m3/s，最低通航水位2.00 m，過(guò)水流量為135 m3/s。

3 結(jié)果與分析

3.1 茹塘大橋

1）流場(chǎng)分析

茹塘大橋橋區(qū)段高水位時(shí)，在現(xiàn)狀情況下，如圖3所示，水流流向總體上與河道走向基本平行，但在橋墩附近，橋墩迎水側(cè)水流受橋墩頂托水流流向橋墩兩側(cè)略有偏轉(zhuǎn)，水流在繞過(guò)橋墩兩側(cè)時(shí)發(fā)生邊界層分離，并橋墩后方形成尾渦。

茹塘大橋防撞設(shè)施實(shí)施后，如圖4所示，橋區(qū)段水流流場(chǎng)與現(xiàn)狀情況相比，有一定的差異，同時(shí)防撞墩對(duì)橋墩附近的流場(chǎng)影響大于組合鋼板樁。由于防撞墩寬度較大，水流繞過(guò)防撞墩后，在后側(cè)橋墩附近形成一定寬度的邊界層分離區(qū)域，同時(shí)在橋墩尾部形成尾渦；而組合鋼板樁寬度與橋墩寬度基本一致，水流繞過(guò)組合鋼板樁后，橋墩兩側(cè)時(shí)出現(xiàn)邊界層分離，但寬度較小，在橋墩后側(cè)存在圍渦，但圍渦尺度較防撞墩小。

圖3 高水位時(shí)設(shè)墩前流場(chǎng)分布

圖4 高水位時(shí)設(shè)墩后流場(chǎng)分布

2）流速分析

圖 5為高水位時(shí)茹塘大橋橋墩附近的流速分布。模型計(jì)算通航高水位時(shí)，橋墩附近主槽區(qū)域，如圖 5所示的 2#橋墩與 4#橋墩之間區(qū)域，流速為1.4～1.6 m/s；主槽左槽1#橋墩與2#橋墩之間區(qū)域流速為1.0～1.2 m/s；主槽右側(cè)4#橋墩與5#橋墩之間區(qū)域流速為1.2～1.6 m/s。

圖5 實(shí)施前橋區(qū)河段流速大小分布

根據(jù)《內(nèi)河航道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（DG/TJ 08-2116-2012），對(duì)于水中設(shè)墩的 VI級(jí)航道，橋墩周圍橫向流速超過(guò)0.25 m/s時(shí)，將對(duì)船舶航行安全產(chǎn)生不利影響，可認(rèn)為橫向流速超過(guò)0.25 m/s的水域?qū)儆诘K航紊流影響范圍。本次紊流計(jì)算參照《內(nèi)河航道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》的相關(guān)要求。

圖6 實(shí)施前橋區(qū)橫向流速大小分布

圖7 實(shí)施后橋區(qū)橫向流速大小分布

茹塘大橋現(xiàn)狀情況下，高水位時(shí)，通航區(qū)域位于2號(hào)、3號(hào)橋墩間和3號(hào)、4號(hào)橋墩間。橋墩附近的橫向流速大小分布，如圖6所示。2號(hào)、3號(hào)橋墩間紊流寬度為3.98 m，3號(hào)、4號(hào)橋墩間紊流寬度為4.12 m。因此，防撞設(shè)施實(shí)施前，橋區(qū)段最大紊流寬度為4.12 m。茹塘大橋防撞設(shè)施實(shí)施后，橋墩附近的橫向流速大小分布，如圖7所示。2號(hào)、3號(hào)橋墩間紊流寬度為5.32 m，3號(hào)、4號(hào)橋墩間紊流寬度為4.35 m。因此，防撞設(shè)施實(shí)施后，橋區(qū)段最大紊流寬度為5.32 m。

3.2 中運(yùn)河橋

1）流場(chǎng)分析

中運(yùn)河橋橋區(qū)段最高通航水位時(shí)，在現(xiàn)狀情況下，如圖8所示，橋區(qū)段水流最高通航水位流流向總體上與河道走向基本平行，但在橋墩附近，橋墩迎水側(cè)水流受橋墩頂托水流流向影響向兩側(cè)偏轉(zhuǎn)，水流在繞過(guò)橋墩兩側(cè)時(shí)發(fā)生邊界層分離，并橋墩后方形成尾渦；中運(yùn)河橋防撞設(shè)施實(shí)施后，如圖9所示，橋區(qū)段水流流場(chǎng)與現(xiàn)狀情況相比，總體上差異不大，但在組合管樁附近流場(chǎng)略有差異，組合鋼管樁迎水側(cè)水流向兩側(cè)偏轉(zhuǎn)，組合鋼管樁后面存在尾渦。

圖8 實(shí)施前橋區(qū)河段流場(chǎng)分布

圖9 實(shí)施后橋區(qū)河段流場(chǎng)分布

2）流速分析

圖 10為最高通航水位中運(yùn)河橋橋墩防撞設(shè)施實(shí)施前后橋址附近的流速分布情況。中運(yùn)河橋防撞設(shè)施實(shí)施前后，橋址段河道流速分布總體上無(wú)明顯變化；橋墩附近，受橋墩影響，橋墩兩側(cè)流速略有增大；橋墩迎水頭部及橋墩尾部區(qū)域流速略有減??；防撞設(shè)施實(shí)施前后，流速分布無(wú)明顯差異。橋區(qū)段，最高通航水位，主槽區(qū)域流速為1.35～1.6 m/s；最低通航水位，主槽區(qū)域流速為 1.35～1.6 m/s；橋墩兩側(cè)，流速為0.8～1.2 m/s。

圖10 實(shí)施前后橋區(qū)河段流速大小分布

根據(jù)《內(nèi)河航道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》，對(duì)于水中設(shè)墩的 VI級(jí)航道，橋墩周圍橫向流速超過(guò) 0.25 m/s時(shí)，將對(duì)船舶航行安全產(chǎn)生不利影響，可認(rèn)為橫向流速超過(guò)0.25 m/s的水域?qū)儆诘K航紊流影響范圍。

中運(yùn)河橋現(xiàn)狀情況下，最高通航水位，橋墩附近的橫向流速分布如圖 11所示，橋墩下游迎水側(cè)橫向流速大于上游，且河道彎曲方向及橋墩走向的影響，在橋址附近流速為1.5 m/s時(shí)，橋區(qū)段紊流寬度為3.2 m，橋墩凈距21.9 m，有效通航凈寬為18.7 m。

中運(yùn)河橋防撞設(shè)施實(shí)施后，橋墩寬度不變，最高通航水位，橋墩附近的橫向流速分布如圖 12所示，在橋址附近流速為1.5 m/s時(shí)，橋區(qū)段紊流寬度為2.9 m。

圖11 實(shí)施前橋區(qū)河段橫向流速大小分布

圖12 實(shí)施后橋區(qū)河段橫向流速大小分布

對(duì)比公式所得紊流寬度數(shù)值，根據(jù)圖8～11，可以發(fā)現(xiàn)防撞設(shè)施布設(shè)前后紊流寬度的變化，如表1所示。

表1 防撞設(shè)施布設(shè)前后紊流寬度對(duì)比

從表中可以發(fā)現(xiàn) MIKE 21數(shù)模所得紊流寬度值一般都大于公式計(jì)算結(jié)果，但布設(shè)防撞設(shè)施前后的變化規(guī)律和公式結(jié)果不同并有一定差距。根據(jù)數(shù)模所反映的流場(chǎng)，墩前水流的變化情況比公式中所考慮的參數(shù)要復(fù)雜，本文認(rèn)為需要對(duì)公式進(jìn)行修改。

4 結(jié)論

本文采用丹麥水力研究所（DHI）研發(fā)的MIKE 21軟件建立了茹塘大橋和中運(yùn)河橋的數(shù)值模型，模擬了在恒定水流作用下，防撞設(shè)施布設(shè)前后對(duì)于橋墩紊流寬度的影響，并與規(guī)范公式所得紊流寬度值進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)數(shù)值模擬所得紊流寬度值往往比規(guī)范法所得大，而且在增設(shè)防撞設(shè)施后其紊流寬度有增大，有減小，這與所采用的防撞設(shè)施方案有關(guān)，同時(shí)也可能與橋墩前航道地形有關(guān)，但總體而言，采用數(shù)值模擬的方法能較好的還原了航道實(shí)際的地形情況，同時(shí)結(jié)合了每條航道的唯一性，能更好的反映航道實(shí)際的紊流寬度。且彌補(bǔ)了規(guī)范法中所采用公式法中未很好體現(xiàn)橋墩前地形對(duì)于紊流寬度的影響，今后可以增加相應(yīng)地形參數(shù)進(jìn)行公式的矯正。