陳 珺，于明田，鄧麗華，陸迎香

(1.河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210098；2.河海大學(xué)水利水電學(xué)院，江蘇 南京 210098； 3.重慶西科水運(yùn)工程咨詢中心，重慶 400016)

隨著河道的開發(fā)與利用，橋梁和碼頭工程建設(shè)日益增多。河道內(nèi)修建單座橋梁或碼頭工程對(duì)河道行洪影響的問題已有較多學(xué)者進(jìn)行過(guò)研究，如趙淳逸等[1-4]探究了橋梁建設(shè)對(duì)河道行洪的影響，孫東坡等[5-6]針對(duì)碼頭建設(shè)帶來(lái)的行洪影響進(jìn)行了研究，大多數(shù)研究表明單座橋梁或碼頭工程對(duì)河道行洪影響相對(duì)較小。然而，多座橋梁和碼頭工程的不斷修建，則會(huì)形成累積效應(yīng)，影響河道行洪。對(duì)此，一些學(xué)者開展了相關(guān)研究：朱軍政等[7]采用阻力修正方法模擬橋墩的阻水作用，計(jì)算分析了多座橋梁行洪的影響；孫志林等[8]基于Delft3D數(shù)學(xué)模型，探討了潮流對(duì)多橋的復(fù)雜響應(yīng)；吳迪等[9]采用一維非恒定流河網(wǎng)數(shù)學(xué)模型，分析了佛山市橋梁群對(duì)河道行洪的影響；劉長(zhǎng)波[10]通過(guò)概化水槽試驗(yàn)和理論分析，就碼頭群對(duì)河道行洪及沖淤的疊加效應(yīng)展開了研究；江磊等[11]采用資料分析和數(shù)值模擬方法，以南京河段新濟(jì)洲碼頭群為研究對(duì)象，分析了碼頭群密度及非均勻度對(duì)近岸洪水動(dòng)力特性的疊加影響；張細(xì)兵等[12]采用數(shù)學(xué)模型研究了武漢河段橋梁群和揚(yáng)中河段碼頭群對(duì)河道洪水位及流場(chǎng)累積影響；陳珺等[13]和褚曉岑等[14]基于Delft3D數(shù)學(xué)模型分別研究了寧波三江口區(qū)域碼頭群和橋梁群對(duì)河道防洪納潮的影響。以上研究成果均表明多座橋梁或碼頭工程的存在會(huì)引起工程群效應(yīng)，對(duì)河道行洪與河勢(shì)安全產(chǎn)生明顯影響?？紤]到河道內(nèi)同時(shí)存在橋梁和碼頭工程群的情況較為普遍，兩類工程群對(duì)河道行洪會(huì)產(chǎn)生累積影響，本文選取甬江流域感潮河段為研究區(qū)域，通過(guò)建立平面二維非恒定潮流數(shù)學(xué)模型，探討橋梁和碼頭工程群對(duì)河道行洪累積影響規(guī)律。

1 研究區(qū)域及橋梁和碼頭群概況

甬江是寧波市的母親河，由上游支流奉化江和姚江在三江口匯集而成，三江口以下河段稱為甬江，于鎮(zhèn)海口流入東海。從20世紀(jì)50年代至今，寧波市城區(qū)奉化江、姚江和甬江累積修建橋梁14座，碼頭工程212座(圖1)，其中奉化江澄浪堰至三江口河段跨河橋梁5座，有江廈橋、興寧橋和鐵路橋在河道內(nèi)設(shè)有橋墩；姚江大閘至三江口河段的新江橋、解放橋和永豐橋均在河道內(nèi)設(shè)有橋墩；甬江跨河橋梁6座，只有甬江大橋、外灘大橋和招寶山大橋在河道內(nèi)設(shè)有橋墩。甬江碼頭結(jié)構(gòu)形式有高樁式、重力式和浮碼頭三類，其中以高樁式碼頭為主，碼頭噸級(jí)為500～20萬(wàn)t不等，1萬(wàn)～2萬(wàn)t級(jí)的碼頭全部位于招寶山大橋至鎮(zhèn)海口河段。研究區(qū)域內(nèi)的橋梁和碼頭群的阻水比和分布密度統(tǒng)計(jì)見表1和表2，其中阻水比為100年一遇洪水+5年一遇潮落急時(shí)刻工程阻水面積與河道過(guò)水面積之比。由表1和表2可見，奉化江和姚江由于河道較窄，橋梁布置的橋墩較多，橋梁阻水比相對(duì)較大；而甬江河道較寬，甬江大橋與外灘大橋橋墩雖然尺寸較大，但阻水比相對(duì)較小。碼頭工程分布于甬江河道兩岸，其中三江口至寧波大學(xué)與鎮(zhèn)海電廠至鎮(zhèn)?？诤佣危a頭工程數(shù)量較多且分布密度較大，分別達(dá)10.13座/km和12.20座/km。

表1 橋梁工程統(tǒng)計(jì)

表2 碼頭工程統(tǒng)計(jì)

1—永豐橋；2—解放橋；3—新江橋；4—江夏橋；5—興寧橋；6—鐵路橋；7—甬江大橋；8—外灘大橋；9—招寶山大橋圖1 橋梁和碼頭工程與研究河道示意圖

2 模型建立與驗(yàn)證

基于Delft3D軟件水動(dòng)力模塊，建立感潮河道平面二維非恒定潮流數(shù)學(xué)模型[15-16]。該模型采用貼體交錯(cuò)四邊形網(wǎng)格離散計(jì)算區(qū)域，通過(guò)交替隱式差分法(ADI)對(duì)方程進(jìn)行離散求解，具體控制方程及求解方法見文獻(xiàn)[17]。

2.1 計(jì)算區(qū)域選取與網(wǎng)格劃分

考慮到橋梁和碼頭群的分布情況和影響范圍，選取姚江大閘(邊界1)和奉化江水文觀測(cè)斷面CS7(邊界2)為模型上邊界，甬江口附近海域(邊界3、4)作為模型計(jì)算下邊界(圖2)。模型地形根據(jù)2016年實(shí)測(cè)地形數(shù)據(jù)通過(guò)插值得到。采用正交曲線網(wǎng)格對(duì)研究區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格總數(shù)為6.76×105個(gè)，網(wǎng)格尺寸為5～18 m，并對(duì)橋梁和碼頭工程所在網(wǎng)格進(jìn)行局部加密，網(wǎng)格尺寸為4～14 m。研究河道整體網(wǎng)格和三江口局部區(qū)域網(wǎng)格如圖3所示。

圖3 研究河道整體網(wǎng)格和三江口局部網(wǎng)格

2.2 橋梁和碼頭工程概化

由于橋梁的橋墩和碼頭的樁體改變了河道地形，阻擋了水流，增加了水流局部阻力，本文采用修正地形和糙率的方式，對(duì)研究區(qū)域內(nèi)的橋墩與碼頭樁體進(jìn)行概化，具體原理如下：

a. 地形修正。假設(shè)網(wǎng)格單元河底高程增加值阻擋的流量與橋墩或碼頭樁體阻擋的流量相同[18]，得到網(wǎng)格單元內(nèi)河底高程增加值為

Δzb=h(b1/b2)6/7

(1)

式中：b1為網(wǎng)格單元內(nèi)橋墩或樁體沿河寬方向總寬度；b2為沿河寬方向網(wǎng)格單元寬度；h為水深。

b. 糙率修正[18]?？紤]橋墩或碼頭樁體影響后的網(wǎng)格糙率修正公式如下：

(2)

式中：n1為工程所在網(wǎng)格單元綜合糙率；n0為無(wú)工程時(shí)河床糙率；n*為工程阻水增加的局部糙率；ζ為橋墩或樁體阻力系數(shù)；g為重力加速度。對(duì)于橋墩，按照J(rèn)TS 144—1—2010《港口工程荷載規(guī)范》[19]，根據(jù)不同形狀選取相應(yīng)的阻力系數(shù)，圓形時(shí)取值為0.73，圓端形時(shí)取值為0.52，矩形時(shí)根據(jù)長(zhǎng)寬比取值為1.1～1.5。高樁式碼頭工程樁群可看作攔污柵形式的阻水建筑物[20]，樁群阻力系數(shù)可按下式計(jì)算：

(3)

式中：β為樁體形狀系數(shù)，方樁的β取為2.43，圓樁的β取為1.79[20]；b為樁間距；θ為樁與河底夾角。

甬江大橋、外灘大橋的橋墩尺寸較大，與模型計(jì)算網(wǎng)格尺寸相當(dāng)，故采用地形修正的方法，直接把橋墩所在網(wǎng)格地形高程調(diào)整至河道最高水位以上；永豐橋、解放橋等橋梁的橋墩尺寸相對(duì)較小，橋墩尺寸小于網(wǎng)格尺寸，采用地形和糙率修正的方式進(jìn)行概化；重力式碼頭由于不透水，整體尺寸較大，同樣采用地形修正的方法，把碼頭所在網(wǎng)格地形高程調(diào)整至河道最高水位以上；高樁式碼頭的樁墩尺寸小于網(wǎng)格尺寸，采用糙率和地形修正的方式進(jìn)行概化，浮碼頭則不進(jìn)行概化處理。

2.3 模型率定與驗(yàn)證

模型計(jì)算邊界1給定姚江大閘實(shí)際排放流量過(guò)程，邊界2給定水文觀測(cè)斷面CS7實(shí)測(cè)潮流量過(guò)程，邊界3和邊界4給定鎮(zhèn)?？谒臏y(cè)站實(shí)測(cè)潮位過(guò)程。模型采用實(shí)測(cè)資料對(duì)河道已存在橋梁和碼頭的情況進(jìn)行率定和驗(yàn)證，橋梁和碼頭工程的概化采用2.2節(jié)的方法進(jìn)行處理。采用2015年6月24日20時(shí)至25日22時(shí)洪季小潮實(shí)測(cè)水文資料對(duì)模型進(jìn)行率定(圖4和圖5)，通過(guò)率定，河槽糙率取為0.016～0.025，灘地糙率取為0.026～0.032。采用2016年1月3日14時(shí)至4日17時(shí)實(shí)測(cè)枯季小潮水文資料對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證(圖6和圖7)，由圖6和圖7可以看出，各水文測(cè)站模擬潮位誤差較小，各觀測(cè)斷面測(cè)點(diǎn)流速大小和方向過(guò)程與實(shí)測(cè)基本吻合，模型滿足規(guī)范要求[21]，表明模型可用于橋梁和碼頭群對(duì)河道行洪影響的模擬研究。

圖4 2015-06-24洪季小潮各水文測(cè)站潮位率定

3 模型計(jì)算與結(jié)果分析

3.1 計(jì)算方案

采用所建平面二維非恒定潮流數(shù)學(xué)模型，計(jì)算100年一遇洪水+5年一遇潮位組合條件下，橋梁和碼頭群對(duì)河道行洪的影響，計(jì)算方案如表3所示，其中方案4為目前河道已存在橋梁和碼頭的現(xiàn)狀方案，模型已在2.3節(jié)進(jìn)行了率定和驗(yàn)證；方案1～3為對(duì)比計(jì)算方案，分別為將河道逐漸恢復(fù)到無(wú)工程、僅有橋梁工程、僅有碼頭工程的3種情況。鑒于河道涉水工程在洪水期間對(duì)河口落潮行洪影響程度較大，因此選定100年一遇洪水+5年一遇潮位組合條件下的落急時(shí)刻進(jìn)行研究。對(duì)應(yīng)計(jì)算邊界條件如下：邊界1姚江大閘流量為509 m3/s，邊界2 CS7斷面流量為1 642 m3/s，海域邊界3和4的潮位為-0.56 m。

圖5 2015-06-24洪季小潮各斷面流速流向率定

圖6 2016-01-03枯季小潮各水文測(cè)站潮位驗(yàn)證

圖7 2016-01-03枯季小潮各斷面流速流向驗(yàn)證

表3 計(jì)算方案設(shè)置

3.2 工程群對(duì)河道洪水位影響分析

通過(guò)對(duì)比分析甬江無(wú)工程(方案1)的計(jì)算結(jié)果和存在不同工程群(方案2～4)的計(jì)算結(jié)果，獲得洪水條件下，方案2～4對(duì)河道水位影響結(jié)果如圖8～10所示，河道斷面水位變化平均值沿程分布如圖11所示，河道水位影響統(tǒng)計(jì)如表4所示。以下分別對(duì)橋梁群、碼頭群和兩者同時(shí)存在對(duì)河道洪水位的影響開展分析。

3.2.1橋梁群對(duì)河道洪水位的影響

橋梁群主要位于三江口附近，在多座橋梁的共同影響下，奉化江和姚江河段水位整體壅高。由圖8、圖11和表4可知，奉化江壅水范圍從三江口到CS7斷面，水位壅高值為0.2～2.2 cm，姚江壅水范圍從三江口至姚江大閘閘下，水位壅高值為1.3～2.1 cm，橋梁附近位置受橋墩影響水位有一定波動(dòng)，但仍保持壅高。而甬江大橋與外灘大橋由于橋墩尺寸較大，局部位置阻水作用明顯，導(dǎo)致橋墩迎水面水位壅高，兩側(cè)及背水面水位降低，其中甬江大橋橋墩附近水位最大壅高8.95 cm，最大降低4.68 cm；外灘大橋水位最大壅高7.1 cm，最大降低4.0 cm。寧波大學(xué)至招寶山大橋上游河段水位基本不受三江口橋梁群的影響，招寶山大橋位于甬江下游，距上游三江口橋梁群較遠(yuǎn)，僅表現(xiàn)出單座橋梁影響特征，水位最大壅高2.8 cm，最大降低1.7 cm。

圖8 橋梁群對(duì)河道水位影響分布

圖9 碼頭群對(duì)河道水位影響分布

圖10 橋梁和碼頭群對(duì)河道水位影響分布

圖11 不同方案河道斷面水位變化平均值沿程分布

表4 不同方案下河道水位變化

3.2.2碼頭群對(duì)河道洪水位的影響

根據(jù)研究河道的碼頭工程分布密集程度，將碼頭工程群分為三江口—寧波大學(xué)、寧波大學(xué)—鎮(zhèn)海電廠和鎮(zhèn)海電廠—鎮(zhèn)?？?段，其中前后兩段碼頭工程數(shù)量較多且分布密度較大。由圖9、圖11和表4可知，在3段碼頭群聯(lián)合作用下全河段水位普遍壅高，其中碼頭群上游的奉化江水位壅高2.9～5.5 cm，范圍到達(dá)CS7斷面；姚江水位壅高4.9～5.5 cm，范圍到達(dá)姚江大閘閘下；在碼頭群所在甬江河段水位出現(xiàn)不同程度的交錯(cuò)壅高，三江口—寧波大學(xué)河段水位壅高2.0～5.6 cm，寧波大學(xué)—鎮(zhèn)海電廠河段水位壅高2.0～3.3 cm，鎮(zhèn)海電廠—鎮(zhèn)?？谒慧崭?～2.6 cm，降低0～0.2 cm，甬江水位壅高和降低最大值分別為8.78 cm和4.88 cm，分別出現(xiàn)在航代白沙碼頭和上航二處鎮(zhèn)海2號(hào)碼頭附近，這兩個(gè)碼頭水位局部變化見圖9左上角和右下角。

3.2.3橋梁和碼頭群對(duì)河道洪水位的累積影響

由圖10、圖11和表4可知，受到橋梁和碼頭群分布位置影響，兩類工程群對(duì)河道洪水位的累積影響區(qū)域主要集中在寧波大學(xué)上游的甬江、奉化江和姚江河段。在橋梁群和碼頭群均引起壅水的奉化江和姚江河段，兩類工程群的聯(lián)合作用下，奉化江水位壅高4.5～7.2 cm，姚江水位壅高6.3～7.1 cm，水位壅高幅度較單類工程群大，但不是兩類工程群影響的簡(jiǎn)單疊加。在甬江大橋與外灘大橋附近區(qū)域，橋梁的存在使得橋墩兩側(cè)及背水面水位降低，而橋梁所在斷面的左岸碼頭群的阻水效應(yīng)則引起河段水位壅高，兩類工程群的聯(lián)合作用使得水位的變化幅度減小。在多座橋梁的共同影響下(方案2)，甬江大橋橋墩附近水位最大壅高與最大降低分別為8.95 cm和4.68 cm，而在橋梁和碼頭群共同作用下(方案4)，水位最大壅高值增大至14.39 cm，最大降低值減小至2.64 cm。在甬江寧波大學(xué)—鎮(zhèn)?？诤佣?，水位變化主要受碼頭群影響，三江口橋梁群對(duì)其基本沒有影響，因此在該河段方案4水位變化結(jié)果與方案3基本一致。

表5 不同計(jì)算方案各河段流速變化主要分布 cm/s

3.3 工程群對(duì)河道流速影響分析

通過(guò)對(duì)比分析甬江無(wú)工程(方案1)的計(jì)算結(jié)果和存在工程群(方案2～4)的計(jì)算結(jié)果，獲得洪水條件下，方案2～4對(duì)河道流速影響結(jié)果如圖12～14所示，河道流速影響統(tǒng)計(jì)如表5所示。以下分別對(duì)橋梁群、碼頭群和兩者同時(shí)存在對(duì)河道流速的影響開展分析。

圖12 橋梁群對(duì)河道流速影響分布

圖13 碼頭群對(duì)河道流速影響分布

圖14 橋梁和碼頭群對(duì)河道流速影響分布

3.3.1橋梁群對(duì)河道流速影響

由圖12和表5可見，橋梁群對(duì)奉化江和姚江河段整體流速影響較小，流速變化主要位于橋墩附近局部區(qū)域，具體表現(xiàn)為橋孔間流速增大，橋墩迎流面和背流面流速減小。例如，奉化江鐵路橋局部流速最大增加值為0.18 m/s，最大減小值為0.17 m/s，影響范圍為上游108 m至下游265 m。由于三江口區(qū)域的江夏橋、新江橋、甬江大橋和外灘大橋間距較小，使得該區(qū)域橋梁群的“群效應(yīng)”影響較為明顯，四座橋梁引起的河道局部流速增加區(qū)域基本連通成片，甬江大橋和外灘大橋引起的河道局部流速減小區(qū)域完全連通；甬江大橋橋墩左側(cè)流速普遍增加0.04～0.10 m/s，右側(cè)流速普遍增加0.03～0.15 m/s，流速最大增加值為0.27 m/s,最大減小值為1.33 m/s，位于橋墩背流面。

3.3.2碼頭群對(duì)河道流速影響

由圖13和表5可見，碼頭群引起上游奉化江和姚江流速減小，減小值分別為0～4 cm/s和0.5～2.5 cm/s，距三江口越遠(yuǎn)流速變化越小。在甬江河道，碼頭工程樁群所在區(qū)域流速減小，碼頭工程外側(cè)河道流速增加，其中三江口—寧波大學(xué)河段與鎮(zhèn)海電廠—鎮(zhèn)?？诤佣?，北岸碼頭工程分布較為密集，工程局部流速減小區(qū)域與外側(cè)河道流速增加區(qū)域均呈帶狀分布；這兩個(gè)河段碼頭工程局部區(qū)域流速減小值分別為0～0.13 m/s和0～0.09 m/s，外側(cè)河道流速增加值分別為0～0.07 m/s和0～0.08 m/s；局部流速減小最大值約0.74 m/s，出現(xiàn)在解放軍7815工廠4號(hào)碼頭附近；局部流速增加最大值約0.30 m/s，出現(xiàn)在寶達(dá)水泥碼頭附近。

3.3.3橋梁和碼頭群對(duì)河道流速累積影響

由圖14和表5可見，橋梁和碼頭群對(duì)河道流速的累積影響主要集中在寧波大學(xué)上游的甬江、奉化江和姚江河段,影響結(jié)果遵循如下規(guī)律：在兩類工程群?jiǎn)为?dú)作用下均引起流速增加或減小的區(qū)域，橋梁和碼頭群的聯(lián)合作用使得流速變化幅度更大，但不是兩類工程群影響幅度的簡(jiǎn)單疊加；在兩類工程群?jiǎn)为?dú)作用下流速變化相反的區(qū)域，工程群的聯(lián)合作用使流速變化幅度減小，具體表現(xiàn)為：與方案2相比，受到甬江碼頭工程群影響，奉化江和姚江整體流速減小，同時(shí)在橋梁局部區(qū)域，橋孔間流速增加幅度及影響范圍減小，橋墩迎流面和背流面流速減小幅度及影響范圍增大。在甬江河段，甬江大橋與外灘大橋河段左岸由于碼頭工程的存在，沿岸流速明顯減??；兩橋橋墩左側(cè)流速增加，但受到左岸碼頭工程的影響，流速增加幅度及影響范圍減小。例如，方案2中甬江大橋與外灘大橋的流速增加0.04 m/s等值線完全貫通，影響范圍為上下游1 km，而方案4中甬江大橋橋墩左側(cè)流速增加0.04 m/s的影響范圍減小為上下游250 m。在甬江寧波大學(xué)—鎮(zhèn)?？诤佣危魉僮兓饕艽a頭群影響，三江口橋梁群對(duì)其基本沒有影響。在橋梁和碼頭群聯(lián)合作用下，流速局部增加最大值約0.3 m/s，出現(xiàn)在寶達(dá)水泥碼頭附近，局部流速減小最大值為1.33 m/s，出現(xiàn)在甬江大橋橋墩背流面。

4 結(jié) 論

a. 橋梁群對(duì)河道行洪影響集中在寧波大學(xué)上游的甬江、奉化江和姚江河段。多座橋梁的共同影響引起奉化江和姚江水位整體壅高，橋梁群對(duì)流速的影響主要位于橋墩附近局部區(qū)域，具體表現(xiàn)為橋孔間流速增加，橋墩迎流面和背流面流速減小。

b. 碼頭群對(duì)研究區(qū)域河段行洪產(chǎn)生影響。碼頭群引起全河段水位普遍壅高，對(duì)流速的影響表現(xiàn)為碼頭樁群所在區(qū)域流速減小，工程外側(cè)河道流速增加。

c. 橋梁和碼頭群對(duì)河道行洪累積影響主要集中在寧波大學(xué)上游的甬江、奉化江和姚江河段。其中，在橋梁群和碼頭群均引起壅水的奉化江和姚江河段，壅高幅度較單類工程群大，但并非兩類工程群影響的簡(jiǎn)單疊加，橋梁和碼頭群引起奉化江和姚江整體流速減小。在兩類工程群?jiǎn)为?dú)作用下水位(流速)變化相反的區(qū)域，受工程群的聯(lián)合作用導(dǎo)致水位(流速)變化幅度減小。