摘要：在利用MIKE11對(duì)橋梁壅水進(jìn)行計(jì)算時(shí)，不同的橋墩概化方法會(huì)對(duì)計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生不同影響?；贛IKE11比較分析了內(nèi)置構(gòu)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(duì)河道壅水高度、長(zhǎng)度計(jì)算結(jié)果的影響。結(jié)果表明：等效過水面積法、更改地形法操作簡(jiǎn)便、參數(shù)較少、模型穩(wěn)定、計(jì)算結(jié)果可靠、適用性強(qiáng)；內(nèi)置構(gòu)筑物法計(jì)算得到的壅水高度和長(zhǎng)度較大，且模型穩(wěn)定性較差、易發(fā)散。研究成果可為橋梁設(shè)計(jì)和河道管理提供參考。

關(guān)鍵詞：橋墩壅水計(jì)算； MIKE11； 橋梁設(shè)計(jì)； 河道管理

中圖法分類號(hào)：TU442

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.11.013

文章編號(hào)：1006-0081（2024）11-0083-05

0 引 言

橋梁工程在跨越河流時(shí)會(huì)對(duì)河道的自然流動(dòng)造成干擾，引發(fā)一系列水力學(xué)和環(huán)境問題［1］。尤其是河道內(nèi)的橋墩，會(huì)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(tài)，導(dǎo)致橋位河段水位壅高［2-3］。河道水位壅高對(duì)河流環(huán)境、基礎(chǔ)設(shè)施及沿岸地區(qū)帶來多方面的危害。對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)安全而言，增大的水流壓力和紊動(dòng)可能導(dǎo)致橋墩基礎(chǔ)沖刷，危及橋梁穩(wěn)定性和承載能力［4- 5］；對(duì)于河道而言，橋墩改變水流速度和方向，導(dǎo)致河床局部侵蝕和淤積，影響河道長(zhǎng)期穩(wěn)定性，特別在洪水期還會(huì)增加堤防壓力，削弱防洪能力［6］，增大漫堤和堤防潰決風(fēng)險(xiǎn)。為確保橋梁建設(shè)對(duì)河道行洪、堤防安全影響可控，同時(shí)保障自身結(jié)構(gòu)安全，準(zhǔn)確計(jì)算和控制橋梁建設(shè)引起的壅水高度至關(guān)重要［7］。

目前，橋梁壅水的計(jì)算主要分為經(jīng)驗(yàn)公式法和數(shù)值模擬法兩類。經(jīng)驗(yàn)公式法多基于簡(jiǎn)化的假定條件，有各自的適用范圍，仍處于“半經(jīng)驗(yàn)半理論”狀態(tài)［8-9］；數(shù)值模擬法因其準(zhǔn)確度較高，在重大項(xiàng)目以及影響較大的項(xiàng)目中廣泛應(yīng)用［10］。數(shù)值模擬過程中，阻水構(gòu)筑物概化的情況直接影響到計(jì)算結(jié)果的可信度，二維模型中已有相關(guān)研究成果［11- 12］，但一維模型相關(guān)研究較少。本文以廣州市花地河為例，基于MIKE11模型，對(duì)比分析內(nèi)置構(gòu)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(duì)白鶴沙大橋主橋壅水高度及長(zhǎng)度計(jì)算結(jié)果的影響，全面評(píng)估不同概化方法在模擬壅水高度方面的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性和適用性。

1 研究方法

1.1 內(nèi)置構(gòu)筑物法

通過MIKE11內(nèi)置建筑物模塊設(shè)置橋梁，橋梁計(jì)算采用能量方程法模型。計(jì)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(shù)；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(shù)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?jǐn)嗝嫘螤畈蛔?，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(xiàn)在縮窄過流面積，還在于對(duì)流態(tài)、河道糙率的影響。橋墩所在斷面采用的等效糙率nt計(jì)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(shù)；ΔS為計(jì)算單元面積，本次計(jì)算以橋墩占用河道面積為計(jì)算單元面積；n為河床糙率。

1.3 更改地形法

根據(jù)橋墩所在位置，將橋墩所在位置地形進(jìn)行抬高，結(jié)合橋梁墩柱淹沒狀態(tài)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(gè)部分。在計(jì)算中，橋位斷面等效糙率計(jì)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(qū)域概況

花地河位于廣州市西南部的荔灣區(qū)，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(zhǎng)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(diǎn)接順洪石坊路，自西向東跨越花地河，終點(diǎn)接順白鶴沙三街，為海龍科創(chuàng)區(qū)內(nèi)的跨河通道，將為廣佛新城的交通連接和區(qū)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(zhǎng)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(xiàn)澆梁，布置5號(hào)、6號(hào)兩組橋墩于河道內(nèi)，其中5號(hào)橋墩為2根柱式墩，單根墩柱尺寸為2.0 m×2.0 m，6號(hào)橋墩采用板式墩，垂直水流方向?qū)?.0 m。橋梁阻水比見表1。

3 模型構(gòu)建及率定

3.1 模型構(gòu)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(xù)方程：

Zt+1BQx=qB（7）

動(dòng)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(shí)間；Q為流量；R為水力半徑；n為曼寧糙率系數(shù)；x為沿河距離；g為重力加速度；q為單位河長(zhǎng)側(cè)向入流量，流入為正，流出為負(fù)。

花地河是西北江三角洲網(wǎng)河區(qū)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(jiǎn)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(zhǎng)度約4.63 km?；ǖ睾佑?jì)算區(qū)域見圖4。河道斷面采用2020年實(shí)測(cè)大斷面數(shù)據(jù)，斷面間隔為500 m?？紤]到壅水范圍的準(zhǔn)確性，對(duì)橋位上游河段斷面進(jìn)行加密，模擬河段共布置斷面12個(gè)（圖4），橋墩所在河道斷面見圖5。

3.2 計(jì)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(jù)《西、北江下游及其三角洲網(wǎng)河河道設(shè)計(jì)洪潮水面線（試行）》，模型邊界各頻率設(shè)計(jì)流量、水位見表2。

3.3 模型驗(yàn)證與率定

根據(jù)《西、北江下游及其三角洲網(wǎng)河河道設(shè)計(jì)洪潮水面線（試行）》，對(duì)花地河各頻率設(shè)計(jì)水面線進(jìn)行模型率定與驗(yàn)證。根據(jù)《水力學(xué)》，河段順直，斷面規(guī)整，兩岸岸壁整齊的河道糙率一般取值范圍為0.02～0.024。經(jīng)率定，當(dāng)糙率為0.022時(shí)，模型計(jì)算得到的水位誤差在±0.01m以內(nèi)，水位率定成果見表3。因此，可采用該模型進(jìn)行橋墩壅水影響的計(jì)算分析。

4 結(jié)果分析

4.1 壅水高度分析

因橋墩布置于河道內(nèi)，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(jù)相關(guān)技術(shù)要求，河道內(nèi)建設(shè)項(xiàng)目導(dǎo)致的壅水高度應(yīng)控制在一定范圍內(nèi)。

橋梁的阻水影響范圍發(fā)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?dāng)嗝婵s窄，水位有所壅高，橋位下游水位變化較小，或基本無變化。

對(duì)比不同概化方法下各水位的壅水高度計(jì)算結(jié)果（表4）可以看出，不同的橋墩概化方法對(duì)壅水高度的影響規(guī)律相似，總體上表現(xiàn)為內(nèi)置構(gòu)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(jì)算成果基本一致，差值在0.1 cm以內(nèi)，內(nèi)置構(gòu)筑物法計(jì)算成果與其他兩種概化方法計(jì)算成果差異較大，存在數(shù)量級(jí)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(jí)頻率洪水條件下行洪面積均在450 m2以上，結(jié)合各級(jí)頻率下橋梁涉河處設(shè)計(jì)洪水，橋梁涉河處斷面平均流速在0.12 m/s以下，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)以及阻水比判斷，在設(shè)計(jì)頻率洪水條件下，該橋梁建設(shè)引起的河道水位壅高應(yīng)極小，內(nèi)置構(gòu)筑物法計(jì)算成果明顯偏大，與實(shí)際不符。

4.2 壅水長(zhǎng)度分析

因橋墩建設(shè)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(duì)壅水影響范圍內(nèi)各項(xiàng)涉水建筑物，如橋梁、堤防、水閘、泵站等有一定不利影響。

根據(jù)表5中各組模擬計(jì)算方案下壅水長(zhǎng)度結(jié)果可得，不同的橋墩概化方式對(duì)壅水長(zhǎng)度的影響程度具有相似規(guī)律，總體上表現(xiàn)為內(nèi)置構(gòu)筑物法gt;等效過水面積法=更改地形法。具體說來，內(nèi)置構(gòu)筑物法計(jì)算所得壅水長(zhǎng)度最長(zhǎng)，各設(shè)計(jì)頻率洪水條件下壅水長(zhǎng)度均在1 290 m以上，超出模型計(jì)算范圍；等效過水面積法與更改地形法計(jì)算所得壅水長(zhǎng)度基本相當(dāng)，壅水長(zhǎng)度為660～960 m，且壅水長(zhǎng)度基本呈現(xiàn)洪水流量越大，壅水長(zhǎng)度越長(zhǎng)的趨勢(shì)。

4.3 概化方法適應(yīng)性分析

內(nèi)置構(gòu)筑物法主要適用于矩形河道，需結(jié)合橋位斷面情況選擇合適的概化計(jì)算模型，并需要根據(jù)計(jì)算模型輸入過水?dāng)嗝鎺缀我?、橋墩順?biāo)鞣较驅(qū)挾?、河床坡降、阻力系?shù)、能量損失系數(shù)等要素。其壅水效果主要取決于阻力系數(shù)、能量損失系數(shù)的大小，而阻力系數(shù)、能量損失系數(shù)多依賴于經(jīng)驗(yàn)取值，因此計(jì)算成果準(zhǔn)確性依賴經(jīng)驗(yàn)，且添加構(gòu)筑物情況下模型穩(wěn)定性較差，更易發(fā)散，無法得到有效結(jié)果。

等效過水面積法保持?jǐn)嗝嫠Π霃较嗤?，能一定程度上概化過水?dāng)嗝鏄蚨兆杷闆r，僅需根據(jù)各水位條件下橋墩阻水寬度便能基于現(xiàn)狀地形得到概化后的河道斷面。但橋墩阻水不僅體現(xiàn)在縮窄河道斷面上，還表現(xiàn)在改變河道局部水流流態(tài)，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(shè)導(dǎo)致的繞流、紊流造成的能量損失，其計(jì)算值較實(shí)際值偏小。

更改地形法根據(jù)過水?dāng)嗝孀杷畼蚨辗植记闆r繪制工程建成后河道斷面，能反映因橋墩建設(shè)導(dǎo)致的繞流、紊流產(chǎn)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(shí)模型穩(wěn)定性良好，但當(dāng)同一斷面橋墩數(shù)量較多時(shí)，模型穩(wěn)定性極差，橋墩上下游水位差與實(shí)際相差極大，甚至無法得到有效結(jié)果。

5 結(jié) 論

本文對(duì)比了MIKE11水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型不同橋梁概化方法對(duì)壅水高度、壅水長(zhǎng)度的影響，發(fā)現(xiàn)在一般情況下，內(nèi)置構(gòu)筑物法計(jì)算所得壅水高度、長(zhǎng)度最大，且模型穩(wěn)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(shè)導(dǎo)致的能量損失，且操作簡(jiǎn)單，參數(shù)少，模型穩(wěn)定性高，結(jié)果相對(duì)可靠，有較強(qiáng)的適應(yīng)性，能彌補(bǔ)經(jīng)驗(yàn)公式法的不足。

本研究主要基于一維水動(dòng)力模型，下一步將進(jìn)一步考慮三維流場(chǎng)和復(fù)雜流態(tài)對(duì)壅水高度的影響與模擬多橋墩情況下的壅水效應(yīng)。

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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