二维数值模拟在多桥梁河段通航安全评价中的应用

宋禹辰 吴宇红 梁一星

摘要：“夜游陆水河”是湖北省赤壁市政府大力推动的城区旅游项目。陆水河城区河段建有多座桥梁，这些桥梁大多兴建于20世纪，年代久远，修建时未能考虑到航运发展需求，对船舶通航造成严重的安全影响。鉴于此，建立了陆水大坝一京港澳高速桥河段二维数学模型，概化桥墩、碎石等碍航结构，并结合赤壁市水文站50a统计资料，综合考虑桂家畈枢纽、节堤枢纽等航电枢纽的调度规律，计算不同工况下项目河段桥梁对船舶通航的影响，并对旅游航线开放时间提出建议。

关键词：多桥梁河段;二维数学模型;通航安全评价;赤壁市

中图法分类号：U442.3文献标志码：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2019.05.012

桥梁与航道均为公共交通基础设施，跨河桥梁对航道条件的影响不容忽。但由于交通规划、城市发展等原因，我国历史上跨河桥梁的兴建往往忽略了其对航道的影响。“夜游陆水河”是湖北省赤壁市旅游局近期大力推动的城区旅游项目。陆水河城区河段建有多座桥梁，年代久远，大部分桥梁均存在跨径不足、间距不够等问题，不满足GB50139-2014《内河航道通航标准》要求，对航运发展产生不利影响。由于交通规划、城市发展等历史原因，该河段还存在废弃的桥墩、水利设施和碎石等碍航物，给船舶通航带来严重的安全隐患。

1项目概况

“夜游陆水河”航线起于陆水河陆水大坝下游500m，至京港澳高速桥终止，全长约6km，规划航线如图1所示。根据相关规划，夜游船舶采用30客位的画舫定制船型：18.0mx4.5m×1.1m（长×宽×吃水），每天安排3-5班次。

1.1通航环境

项目河段通航环境较为复杂，具体如下。

（1）航线内需跨越9座桥梁，自上而下分别为南环桥、铁路二桥、铁路一桥、东洲大桥、步行桥、赤壁一桥、赤壁二桥、武广高铁桥和京港澳高速桥，各桥梁概况见表1。

（2）由于历史原因，项目河段河道内存在废弃的桥墩、橡胶坝水泥墩和部分碎石等碍航物，如图2所示。其中：①废弃的桥墩位于铁路二桥上游200m，为1930～1945年问所建桥梁废弃遗留。②陆水河橡胶坝位于武广高铁桥下游200m，建于2011年，目的是抬高城區水位、美化景观;2014年下游节堤枢纽投入使用后，该橡胶坝不再挡水，基本处于废弃状态，目前橡胶坝水泥中墩立于河道中。③赤壁一桥、铁路二桥一东洲大桥桥墩附近存在部分碎石。

（3）新中国成立以来，陆水河上陆续修建了多座水利枢纽，其中项目河段上游建有陆水河桂家畈枢纽，下游建有陆水节堤枢纽，如图3所示。其中：①桂家畈枢纽（陆水大坝）。位于项目河段起点上游约500m，是新中国成立初期为三峡枢纽建设提供建设经验的“三峡试验坝”，1967年投入使用。枢纽正常蓄水位为54-55m（1985国家高程，下同），正常蓄水时可回水至上游崇阳县城，最大发电流量为248m/s。②节堤枢纽。位于项目河段终点京港澳高速桥下游约25.5km，2014年建成投入使用。枢纽正常蓄水位为26.46m，正常蓄水时可回水至上游桂家畈枢纽坝下，最大发电流量为144m/s。对节堤枢纽而言，当坝前来流量≤144m/s时，库水位维持在正常蓄水位26.46m;当144m/s<坝前来流量<600m/s时，水库仍维持在正常蓄水位26.46m运行，大于水轮机引用流量部分的入库流量，通过闸门下泄;当来流量≥600m/s，所有来流量通过闸门下泄。

1.2项目存在的主要问题

对于“夜游陆水河”项目航线规划而言，存在的主要问题如下。

（1）工程河段处于上游桂家畈枢纽和下游节堤枢纽之间，二者的调度方案对项目河段的水流条件影响很大;

（2）工程河段建有多座桥梁，尤其是东洲大桥一铁路二桥河段，存在桥梁间距不足及河道内碍航碎石、废弃桥墩等问题，导致该区域内流态紊乱，对船舶操作要求较高;

（3）步行桥一武广高铁桥河段为两个连续的反向弯道，弯曲半径分别为950m和550m，弯曲角度均约为90°。弯曲河道上下游各个桥梁的通航孑L桥墩不能严格对应，影响了航路的走向，且多桥梁河段过大的弯道角度会使船舶航行视线受阻、给驾驶员带来操作障碍。

2平面二维水流模型

一般而言，对于顺直河道，平面二维水流模型模拟精度较高。对于弯曲河道，要考虑水流入湾因离心力造成的环流影响。但陆水河夜游项目河段上游建有桂家畈枢纽，枢纽运营了50余年，拦蓄了大部分泥沙，工程河段基本达到冲淤平衡;且工程河段河宽均大于300m，相对于河段平均4m的水深而言，弯道环流作用微弱。因此，该次平面二维水流模型的建立不考虑环流作用的影响。

从Reynolds方程出发，考虑到工程所在河段水平尺度远大于垂直尺度，水力参数在垂直方向的变化明显小于水平方向的变化，可忽略垂向加速度，设定压强服从静水分布;不计垂直方向的流动时间和空间的微分，将方程沿水深积分;根据Bousinesq假设，用涡粘系数表示Reynolds应力项，可得到平面二维的河道水流运动控制方程如下。

在上述运动方程中，左端项是对流项，右端项包括压力项、紊动扩散项和包含切应力和科氏力在内的外力项，考虑了河道水体的紊动影响和底摩阻作用。

2.2网格划分

模型计算选取2018年10月陆水河项目河段实测地形资料，选取了上下游共7km河段作为模型控制河段，模型进口为桂家畈枢纽大坝电站厂房出水口，河面宽阔，水流稳定，模型出口位于项目河段终点京港澳高速桥下游500m处，该处河段为一条近2 km的顺直河段，基本可以忽略模型出口对工程河段的影响。

模型采用正三角形有限单元对计算区域进行离散，同时对项目河段桥墩、水泥墩、碎石等碍航物进行局部加密，充分描述河道边界和河道中水工建筑物的边界，有效保证计算精度。

2.3模型验证

節堤枢纽建成后，进行了常年回水区的水位观测，观测点均匀分布于河道两岸，间距400-500m。为了验证模型的精度，该次数模搜集了节堤枢纽建成后项目河段平均流量（Q=93.8m/s）时的回水资料。考虑到项目河段位于下游节堤枢纽常年回水区内，流速很小，故项目河段没有设置测流断面，该模型验证以水位为准。模型验证情况如表2所示，整个项目河段模型验证误差在0.02-0.04m内，由此可见水位验证结果较好，基本达到模型精度要求。

3工程计算

3.1

计算工况

该次数模以桂家畈枢纽下游2.4km的蒲圻水文站1953—2012年的水位流量关系作为水文基础资料，拟定了两种工况来对项目河段水流进行计算分析。工况1项目河段来流量达到多年平均流量，工况2项目河段来流量达到上游桂家畈枢纽最大发电流量。上述两种情况时，下游节堤枢纽均处于正常蓄水状态，项目河段位于节堤枢纽常年回水区内，工况详情见表3。

3.2工程概化

为了保证模型的稳定性，同时兼顾沿程桥梁、废弃水工建筑物等对水流条件的影响，在网格划分方面对项目范围内的局部地形进行了网格加密处理，并概化和修正了涉及影响通航的桥墩、水泥墩、碎石等。

3.3结果分析

3.3.1横流分析

根据《内河通航标准》要求，对于通航河段，航道范围中桥梁上游3倍代表船型长度内，横流不应大于0.3m/s。上述2种工况下横流计算统计见表4。

由表4可知，项目河段处于多年平均流量时，每个桥梁桥区附近河段的横流均满足航行要求，而当项目河段遭遇上游桂家畈枢纽最大发电流量时，东洲大桥附近最大横流达到了0.32 m/s。结合流场图整体来看，桂家畈枢纽正常发电时，项目河段航线范围内总体水流流态较好、流速适中，横流大小基本满足通航安全要求。

3.3.2通航净空宽度分析

水流条件对桥梁通航净空尺度影响主要体现在通航净空、宽度方面。对于项目河段的9座桥梁及废弃的橡胶坝和桥墩等碍航物，此次净宽计算分析参照了上述二维数学模型计算成果，综合考虑桥轴线布置与河道夹角大小、通航孔设置、横流加宽以及桥墩周围碎石碍航等因素，针对夜游航线实际画舫船型严格按照《内河通航标准》的规定，计算了每个桥梁及碍航物的最小通航净宽和实际通航净宽，以保证画舫船舶安全通航，具体情况见表5。

由表5可知，在桂家畈枢纽最大发电流量下，上述9座桥梁及2个河道内的碍航物实际通航净宽均能够满足画舫船舶在该河段航行所需最小通航净宽，可确保画舫船舶的安全航行。

4工程合理性分析

（1）对横流大小的分析。在桂家畈枢纽最大发电流量下，项目河段航线范围内总体水流流态较好、流速适中，横流大小基本满足通航安全要求，仅在东洲大桥处横流略大于0.3m/s。在采取相应的通航安全保障措施下，该河段的通航安全可以得到保障。

（2）对通航净宽的分析。对于项目河段的桥梁和碍航物，在桂家畈枢纽最大发电流量下，通航净宽均能够满足《内河通航标准》中相关规定计算的最小净空宽度要求。

（3）对通航时段的分析。据统计，桂家畈枢纽每年泄洪时间不到全年的10%，90%以上时间正常发电。综合考虑航行安全、经济效益等因素，航线安全运营期拟定为每年桂家畈枢纽正常发电期。

（4）桥梁区弯曲河道对航路的影响。主要是视觉受限带来的船舶操作困难，工程可以使用在水上设立助航标、海事管制等方法来保障船舶航行安全。

5结语

赤壁市陆水河城区河段夜游项目航线经过多座桥梁，水流条件较为复杂。本文有针对性地建立了项目河段平面二维水流数学模型，通过验证后模型能够解决通航论证中沿程桥梁对画舫船舶通航安全的影响性分析。结果表明，在上游桂家畈枢纽正常发电时，项目河段水流条件基本能够保证画舫船舶的安全航行，河段内的9座桥梁净宽尺度均能满足《内河通航标准》的相关规定，建议该夜游项目航线运营期拟定为每年桂家畈枢纽的正常发电期，同时认真配布水上助航标志，确保船舶的航行安全。