串列矩形桥墩对通航水流影响的二维数值模拟

池丽敏，魏月梅，冯佳佳，周 强

（1. 南京市水利规划设计院股份有限公司，江苏 南京 210022；2. 江苏苏盛工程造价咨询有限公司，江苏 南京 210029；3. 江苏省水土保持生态环境监测总站，江苏 南京 210008）

串列矩形桥墩对通航水流影响的二维数值模拟

池丽敏1，魏月梅2，冯佳佳1，周 强3

（1. 南京市水利规划设计院股份有限公司，江苏 南京 210022；2. 江苏苏盛工程造价咨询有限公司，江苏 南京 210029；3. 江苏省水土保持生态环境监测总站，江苏 南京 210008）

泸州河东长江大桥采用钻石形串排矩形柱型主塔，为了研究其主塔桥墩对该桥区河段各通航水流特性的影响，采用平面二维水流数学模型，模拟该河段方案实施前后的桥区河段流场，分析串列矩形柱桥墩对水流条件的影响。针对数模结果，从工程应用角度的分析表明在各级流量下工程实施前后桥区河段水位、流速变化较小，紊流宽度对通航条件影响较小，不会对桥区通航产生显著影响。

矩形柱；数值模拟；水流条件；通航

近 20 多 a 来，随着中国经济高速发展对交通运输的需求，桥梁建设进入快速发展时期。建桥后，桥墩使得原有水流条件发生改变，通航条件也相应发生改变，形成航道部门习称的桥区航道[1]。杨忠超等[2]利用桥墩概化模型试验与三维数值模拟计算论证鱼洞长江大桥对通航的影响；严建科等[3]利用水槽试验验证单圆柱绕流水流结构；李彬等[4]则应用 Mike 21 软件模拟分析了不同桥墩布置形式斜交桥对河道局部流场的影响。通过建立平面二维数学模型，仿真模拟串列矩形柱桥墩在桥墩方案实施前后周围的水流流场变化，从工程应用角度分析该桥墩方案下通航水流条件的变化对通航水流的影响，为科学建设该项目及保障类似通航情况安全提供借鉴与参考。

1 工程概况

1.1 桥梁概述

河东长江大桥河东长江大桥是规划的四川长江干线主航道 17 座过江通道之一，位于长江上游泸州段的纳溪水道下段，横跨长江连接泸州市江阳区和纳溪区，桥梁南岸接 G246 线（原 S308 线），北岸接江阳区规划道路。最终确定的推荐桥型为双塔叠合梁斜拉桥，主塔采用钻石型并排矩形柱，桥梁孔跨布置尺寸为 9×30 m（小箱梁）+（210 + 450 + 210）m。如图1 所示，主桥结构型式为双塔、双索面、密索体系，两岸各设置 1 个辅助墩，主桥长878 m，桥梁全长 1 156 m。桥塔采用钻石型塔，两岸主塔塔高分别为 131.5 m（纳溪岸）和 149.4 m（江阳岸），塔柱均为变截面，桥塔基础为承台+桩基础。边塔、中塔柱在纵向轮廓尺寸分别为 8.0～12.0 m，1# 墩位于河道中，2# 墩位于右岸上。

图1 主桥孔跨布置示意图

1.2 河势概况

拟建大桥位于长江上游纳溪水道末端，下接石棚水道。如图2 所示，工程河段河道形态为弯曲河道，推荐桥位（下桥位）处于纳溪下游约 1.2 km 弯顶附近，桥位上游白鹤盆弯道进口段，河道相对宽阔；桥位所在弯顶段，左岸有砂石堆场和碛坝伸出河心，右岸立石盘突出阻水，河宽缩窄，水流趋于集中，各水位期水流随弯循河心下，洪、枯水面宽度相差较大。桥位下游河道逐渐放宽，洪水期，右岸侧石梁淹没，水流随弯逐渐分散，主流仍循河心下。

图2 拟建桥位及河势图

1.3 水位流量

拟建大桥上游有长江李庄水位站，该水位站为长江干流上段的国家基本水位站，根据李庄至泸州河段历史调查及实测的水面线，建立李庄站与拟建大桥的水位关系，然后将李庄站水位流量关系转换至拟建大桥，据拟建大桥水位流量关系和设计流量，即可得到设计水位；同时利用桥位的流量水位，根据实测资料计算得出的河道比降即可推求河段的计算尾水位。

2 数学模型的建立及验证

为了复演方案前后桥区流场情况，需要通过二维数学模型进行模拟，采用沿平均水深的有限元法二维水流数学模型进行计算[5]，对浅水方程的时间采用差分法进行离散，采用有限单元法对空间进行离散，单元插值采用混合插值方法。根据数模验证阶段对糙率的率定，不同计算流量下糙率不同，糙率系数 n 的取值范围在 0.019～0.022 之间，干湿临界水深为 0.15 m。对于非线性方程组，采用 Newton-Raphson方法进行求解。该模型具有计算精度高，模拟复杂边界条件较好等特点。

2.1 控制方程

水流连续方程：

各式中：t 为时间；u，v 分别为沿 X，Y 方向的流速；h 为水深；η 为床面高程；g 是重力加速度；εxx，εyy，εxy是紊动粘性系数，取为 a u*h，a = 3～5，n 为糙率系数， u*为摩阻流速。

2.2 计算条件

此次数值模拟计算的是定场流计算，需在上游设置来水流量，在下游设置尾水位。需选取有代表性的流量工况作为计算输入条件，使得数模结果更好地反映桥区河段在不同流量下的通航水流条件，具体如表1 所示。

表1 计算边界条件

2.3 计算域的确定及网格生成

桥位模型计算网格如图3 所示，计算河段总长约 7 000 m，计算进口距推荐桥位约 2 800 m，网格尺度纵向 20 m，横向约 15～18 m，单元数 45 121 个。计算河段采用三角形网格进行离散，对桥墩附近网格进行加密，在计算时桥墩作不过水处理。

图3 计算区域网格划分示意图

2.4 数学模型的验证

本次计算采用 2007年实测工程河段地形图进行建模，为了验证模型的可靠性，并对相关模型参数进行率定。本研究分别采用 2015年 3，6，7月份水文观测资料[6]、流速流向实测图对计算的水位和流速进行验证，验证表如表2 和 3 所示。

1）水位验证。通过将计算结果与枯水期、中水期与洪水期实测结果进行对比，且反复调试计算参数，根据 2015年 6，7月 2 次实测水位资料，对该河段内的水位进行验证。从表2 和 3 的数模计算结果与实测资料的对比可以发现，二者偏差不大；大多数水位测点的实测值与计算值差值在 ± 0.100 m以内，同时由于测量精度原因，个别水尺水位偏差稍大，但误差均保持在 ± 0.280 m 之内，不影响数模计算整体的准确性，故该模型可用于方案前后流场的模拟计算。

表2 6月水位验证表（qV= 3 500 m3/s） m

表3 7月水位验证表（qV= 14 100 m3/s） m

2）流速验证。应用建立的水流数学模型，对工程河段验证流量进行流速验证。这里以中水流量为例，如图4～7 所示，数模计算流速的大小及分布的位置均与实测资料符合度较高，实测点位的计算值与实测值之间的差值均在 ±0.150 m/s 的范围内，个别差值较大，但也在 ±0.300 m/s 的范围内，计算与实测偏差值控制在 ±10% 范围内，符合相关规范的要求[7]。

图4 1# 段面流速验证图（qV= 3 500 m3/s）

图5 2# 段面流速验证图（qV= 3 500 m3/s）

图6 3# 段面流速验证图（qV= 3 500 m3/s）

图7 4# 段面流速验证图（qV= 3 500 m3/s）

3 计算成果分析

3.1 流场影响分析

大桥建成以后，会对河段流场产生影响，这里选取了最大一级流量（qV= 51 000 m3/s）下工程前后桥墩附近流场变化等值线图进行分析，如图 8 所示。由于受桥墩挤压，河道束窄，桥墩左右两侧流速都有不同程度增加，靠左岸因过水面积较小，流速增加近 1.000 m/s，但离主航线较远，右侧流速最大增加 0.300 m/s左右，故均不会影响通航。同时因桥墩的阻水，使桥墩上下游流速不同程度降低，尤其墩前的局部流速减小幅度较大；通航孔内流速相对其他水域流速变化较小；而在墩后形成的掩护区内，流速减小范围大，并形成一定范围的回流区。

图8 方案前后流速差等值线云图（qV= 51 000 m3/s）

桥墩周围由于桥墩的阻水作用流速改变值较大，通航孔流速差值与影响范围最大情况均发生在最大一级流量下。如图 9 比较了主航线上建桥前后qV= 21 350 m3/s 时的流速，建桥后桥墩处流速因桥墩阻水略小于建桥前流速，主通航孔内流速差值均在0.100 m/s 以内。从比降来看，如图10 所示。在墩前因壅水墩后跌水致桥墩处比降增大，但建桥前后的比降变化趋势基本一致，不会对通航造成显著的影响。总体双矩形桥墩对通航孔内水流的影响较小。

图9 建桥前后代表航线流速（qV= 21 350 m3/s）

图10 建桥前后代表航线比降（qV= 51 000 m3/s）

3.2 流态分析

串列矩形桥墩绕流会在桥墩下游产生尾涡湍流区，如图11 所示，由于 2 个圆柱距离较近，整体表现出单物体绕流特性[8]，计算结果显示矩形柱间流速保持在 0.015 m/s 以内。同时由于绕流现象的存在，桥梁建成后会在桥墩周围形成紊流区，对桥区水域的河床演变和航道安全产生影响[9]。

图11 流态图

紊流区影响宽度计算公式为

式中：E 为桥墩紊流总宽度；K1为与桥墩形状相关的系数；v1为墩前水流流速；b 为墩形计算宽度；h为桥墩附近水深。

由式（4）[9]可知流量越大、流速越大，紊流宽度也就越大；故取最高通航流量并根据数模成果计算得出 1# 墩紊流宽度为 38 m，综合考虑到跨径及洪中枯航线的布置，桥墩紊流区对于船舶通过桥区影响较小。

4 结语

1）桥区水位呈现墩前雍水、墩后跌水的情况，墩前的局部流速减小幅度较大，墩后形成的掩护区内，流速减小范围大，并形成一定范围的回流区。

2）通航孔流速差值与影响范围最大情况均发生在最大一级流量下，建桥后主通航孔内流速差值均在 0.100 m/s 以内。从比降看，建桥前后的比降变化趋势基本一致，不会对通航造成显著的影响，双矩形桥墩对通航孔内水流的影响较小。

3）工程前后通航孔附近水域流速变化较小，桥区河段流速分布与建桥前基本一致，串列矩形桥墩附近流场呈现单物体绕流特性，最高通航流量下紊流宽度对桥区通航航道宽度影响较小。

参考文献：

[1] 缪吉伦，张晓明，王召兵. 桥梁建设对内河通航条件的影响研究[J]. 水运工程，2004 （9）: 66-69.

[2] 杨忠超，陈明栋，杨胜发，等. 鱼洞长江大桥桥墩对水流及通航的影响研究[J]. 人民长江，2009，40 （22）: 63-66.

[3] 严建科，焦臣，龙涛，等. 单圆柱桥墩绕流流场试验研究[J]. 西安建筑科技大学学报（自然科学版），2012，44 （6）: 779-785.

[4] 李彬，孙东坡，赖冠文，等. 桥墩布置形式对桥墩绕流及局部流场的影响[J]. 中国农村水利水电，2013 （7）: 129-132，134.

[5] 鲁婧，王向东，成晨，等. 相同压缩比条件下单双排桥墩群流场分析[J]. 人民黄河，2013，35 （1）: 115-116，119

[6] 国务院. 长江经济带综合立体交通走廊规划（2014—2020年）[J]. 中国水运，2014 （10）: 21-25.

[7] 胡小庆，解中柱，刘勇，等. 长江干线宜宾至重庆河段提升河段航道等级可行性研究成果[R]. 重庆：长江重庆航运工程勘察设计院，2014: 27-35.

[8] 林姗，陈明栋，陈明. 桥墩紊流宽度研究综述[J]. 水利水运工程学报，2011 （2）: 105-110.

[9] 庄元. 桥墩紊流宽度的试验研究[J]. 武汉理工大学学报（交通科学与工程版），2007，31 （5）: 846-849.

（1. Nanjing Water Planning and Designing Institute CO. Ltd, Nanjing 210022, China; 2. Jiangsu Susheng Engineering Cost Consulting Co. Ltd, Nanjing 210029, China; 3. Soil and Water Conservation Ecological Environment Monitoring Station of Jiangsu Province, Nanjing 210008, China）

Influence of tandem rectangular pier for navigation flow based on 2D numerical simulation

CHI Limin1, WEI Yuemei2, FENG Jiajia1, ZHOU Qiang3

East Yangtze River Bridge of Luzhou takes the diamond-shaped rectangular column piers in tandem arrangement as its main tower. In order to study the influence of the main pylon pier on the flow characteristics of navigable river, it builds the 2D mathematical model of flow to simulate the flow field of the bridge area before and after the implementation of the plan, and analyzes the influence of the bridge pier on the flow condition. According to the results of the digifax, it finds that the water level and velocity change of the front and rear bridge are small at al levels of flow from the perspective of engineering application, and the width of turbulent flow has little influence on navigation conditions, and have no impact on navigation in bridge area.

rectangular column piers; numerical simulation; flow situation; navigation

P333；TV691

A

1674-9405（2017）03-0041-05

2016-11-01

池丽敏（1981-），女，河北张家口人，工程师，主要研究方向为水工结构和水力计算。

10.19364/j.1674-9405.2017.03.010