（安徽省水利水電勘測設(shè)計研究總院有限公司 合肥 230000）

1 引言

目前在防洪評價中分析阻水橋梁對行洪影響時通常采用相關(guān)規(guī)范推薦的面積投影法，該方法在正交橋梁阻水計算中有較高的準確度，但是隨著橋梁斜交角度的增加以及橋墩截面型式的變化，影響越趨復(fù)雜，而且在較大斜交角度情況下，橋下凈過水面積甚至可能接近于零，由此求得的橋前壅水過大，與實際情況不符[1]。本文基于MIKE21 軟件建立昌景黃鐵路跨金東河河段二維水動力學(xué)模型，研究大橋?qū)嵤┖髽蚨諏υ摵佣涡泻槟芰昂觿莸挠绊憽?/p>

2 研究區(qū)概況

昌景黃鐵路金東河特大橋位于安徽省黃山市祁門縣祁山鎮(zhèn)境內(nèi)，于金東河休張路橋上游2km 處跨閶江支流金東河，橋梁長685.45m。橋梁跨金東河處設(shè)置共16 個橋墩，其中2#～14#橋墩均位于灘地上，1#、15#、16#橋墩位于河道范圍以外。

3 模型建立

3.1 控制方程及計算方法

本次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)方程和動量方程，在笛卡爾坐標系中可用如下方程表示：

連續(xù)性方程：

X 方向動量方程：

Y 方向動量方程：

式中：t 為時間；x，y，z 為右手Cartesian 坐標系；d 為靜止水深；h=η+d 為總水深；η 為水位；u，v 分別為流速在x，y 方向上的分量；f 為科氏力系數(shù)f=2Ωsinθ，Ω 為地球旋轉(zhuǎn)的角頻率，θ 為當(dāng)?shù)氐木暥?；?為水的密度；ρ0為參考水密度；fv和fu為地球自轉(zhuǎn)引起的加速度；sxx，sxy，syx和syy為輻射應(yīng)力分量；Txx，Txy，Tyx和Tyy為水平粘滯應(yīng)力項；Pa為當(dāng)?shù)氐拇髿鈮海籗 為源匯項（us，vs）水流流速。τsx，τsy為風(fēng)場摩擦力在x，y 上的分量；τbx，τby為底床，摩擦力在x，y 上的分量。橫線表示深度的平均值。

3.2 計算方案

金東河特大橋處20年一遇設(shè)計流量為660m3/s，水位為120.35m，100年一遇設(shè)計流量為1269m3/s，水位為122.15m。

3.2.1 計算范圍

二維模型計算范圍為金東河特大橋跨河段河道，根據(jù)前期研究經(jīng)驗，橋梁實施后的影響范圍一般在上、下游1.0km 范圍內(nèi)，因此二維地形采用實測金東河樁號E30（1+785）至樁號E52（3+885）之間金東河河道平面帶狀圖及橫斷面資料，橋址處斷面在樁號E40（2+591）處。

3.2.2 網(wǎng)格剖分

金東河特大橋段模擬范圍內(nèi)河道面積約0.37km2，河道地形蜿蜒變化，計算區(qū)域河道過水?dāng)嗝孑^大，河道采用邊長約8.0m 左右的三角形作為計算網(wǎng)格?？紤]到工程跨河橋梁間距較近，為了精細模擬出橋墩建筑物對水流的影響，模型將鐵路橋跨河段局部區(qū)域的網(wǎng)格進行加密處理。

3.2.3 邊界條件

沿模型計算區(qū)域的閉邊界（陸地邊界）各變量的法向流動均被設(shè)置為零。二維模型上游進口開邊界為流量控制，下游出口開邊界為水位控制。對于河道灘地部分，由于計算區(qū)域中存在隨水位起落而變化的動邊界，為保證模型計算的連續(xù)性，采用“干濕處理技術(shù)”：當(dāng)計算區(qū)域水深小于0.005m 時，該計算區(qū)域的節(jié)點不參加計算，直至被重新淹沒為止；當(dāng)水深大于0.1m 時，該計算區(qū)域的節(jié)點重新參加水流正常計算。

3.2.4 時間步長

利用有限體積法計算三角網(wǎng)格的水流模擬時，采用30s 作為最大時間步長，0.01s 作為最小時間步長。

3.2.5 模型驗證及糙率率定

一般情況下，在數(shù)值模擬計算中應(yīng)對水位、流速以及流量等進行驗證。由于金東河段缺乏實測水文資料，本次計算的模型參數(shù)主要以水行政主管部門批復(fù)的橋址水位成果作為驗證標準。根據(jù)現(xiàn)場實際條件，對二維模型金東河主河槽糙率n 取值0.035，灘地糙率取0.045。為了使建立的二維模型能夠較好的模擬工程區(qū)域的水動力條件，本次計算根據(jù)20年一遇、100年一遇流量和相應(yīng)假設(shè)的下游水位值來試算，通過控制試算橋址處水位值與批復(fù)值的誤差精度從而試算出相應(yīng)的下游控制水位值[2]。模型驗證后邊界情況見表1。

表1 計算水位邊界條件及水位驗證表

4 模型計算結(jié)果分析

4.1 壅水分析

根據(jù)模擬計算，遭遇不同設(shè)計洪水各計算工況中的金東河水位變化見表2。

表2 橋前壅水高度計算成果表

由20年一遇、100年一遇設(shè)計洪水模擬成果可知，2#～6#橋墩壅水高度相對較大，在20年一遇洪水工況下，橋墩前最大壅水高度為0.27～0.30m，壅水曲線長度約為500m；在100年一遇洪水工況下，橋墩前最大壅水高度為0.30～0.35m，壅水曲線長度約為650m。金東特大橋新建后，橋前壅水高度隨著流量的加大而有所加大，壅水長度加長，總體呈橋上游壅水影響較大，下游影響小，在設(shè)計工況下，最大壅水高度不超過0.35m。各設(shè)計洪水工況橋址附近水位變化見圖1。

圖1 各設(shè)計洪水工況橋址附近水位變化圖

4.2 流速分析

金東河特大橋?qū)嵤┖?，因橋墩建設(shè)，橋墩之間相互影響，河道流場變化，導(dǎo)致各方案橋墩處流速變化不一?？偟膩碚f，由于橋墩的阻水作用使得橋墩上、下游掩護區(qū)內(nèi)流速有所減小，橋孔之間流速增大。20年一遇工況下，橋墩上、下游掩護區(qū)流速減小，變化幅度在0～2.5m/s；隨著建橋后橋墩間流量調(diào)整，橋孔間流速增加，且增加幅度在0～1m/s，越靠近橋墩流速變化越明顯。100年一遇工況下變化趨勢類似。

從橋址附近流速平面圖2可知，橋墩的阻水作用使得橋軸線上下游附近流速有所變化，且離橋軸線越近流速變化越明顯，反之則不明顯。20年一遇工況下，建橋后橋址上游主河槽流速減小，流速變幅在0～0.27m/s，灘地流速有所增加，流速變幅在0～0.17m/s；建橋后橋址下游主河槽流速增加，流速變幅在0～0.24 m/s；橋跨間河道斷面流速較為復(fù)雜，但總體上仍然是灘地流速加大，橋墩下游流速減小，橋孔間或橋孔與岸坡間流速加大。

圖2 各洪水工況橋墩處典型流速變化圖

由此可見，橋梁建設(shè)對河道流速及斷面流速分布均有影響，特別是在橋跨及橋跨下游附近水流紊動程度明顯增強，流速的增加及流速的不均勻變化對河床、岸坡以及橋墩自身穩(wěn)定不利。

4.3 流場分析

根據(jù)20年一遇洪水工況下的流線圖可見，金東河特大橋建設(shè)后，橋墩附近出現(xiàn)明顯的阻流和繞流，橋墩之間的流向和流速較現(xiàn)狀發(fā)生了變化?？傮w來說，橋梁建設(shè)后引起的流場變化主要集中在橋跨附近，由于主河道內(nèi)未設(shè)置橋墩，主槽內(nèi)流線未發(fā)生明顯變化，水流沿主槽由西北折向西流向下游；灘地處由于橋墩的布置，且橋墩線路與河道夾角較小，橋墩的疊加影響致使橋前水流流線明顯向西偏折，灘地主流在10#～14#橋墩間匯集后流入下游。

因此，由流場流向分布圖3可看出，由于擬建橋梁的修建，造成局部流速的增加以及局部流向的改變，易對河道走勢變化較大的部位以及橋址附近岸坡造成沖刷。

圖3 20 一遇洪水工況建橋前后流線對比圖

5 結(jié)語

本次研究分析針對斜交橋梁跨河處的復(fù)雜工況，利用實測地形、斷面數(shù)據(jù)建立了MIKE21 水動力學(xué)模型模擬計算，成果表明：

（1）通過模型模擬結(jié)果與傳統(tǒng)經(jīng)驗公式計算成果比較分析可知，模型計算可以獲取任意時間、空間的水流流態(tài)變化，可為分析河道主槽、灘地、橋墩附近等不同區(qū)域流態(tài)變化提供數(shù)據(jù)支撐，也更加有利于采取針對性的防洪補救措施，因此采用二維水動力模型分析斜交橋梁的防洪影響更加合理。

（2）由模型計算成果可知，橋梁建設(shè)后，由于橋墩造成的橋前壅水，將會對橋位河段河道過流能力、灘槽分流比、水流流速等造成一定的影響。橋墩造成的阻水需要通過河道斷面補償、優(yōu)化橋跨布置、優(yōu)化橋墩截面型式等方式減小影響，另外河槽中橋臺軸線與水流方向斜交，對水流有挑流作用，易對河岸造成沖刷影響，需要對橋址處上下游岸坡采取合理防護措施■