V腿拱桥河势影响分析

刘 景，贾军伟，余闪闪

(河南省水利勘测有限公司，郑州 450001)

0 引 言

作为河道管理范围内建设项目防洪影响评价的重要组成部分，河势影响分析能直观的反应工程影响范围内，建筑物周围河道流速、流态的变化，为建设项目的防治提供数据支撑。建设项目建成后对河势稳定的影响，一般情况下可采用数学模型计算或者物理模型试验等技术手段进行。

文章以禹州市颖云桥为例，采用MIKE21二维数学模型，模拟50a一遇和100a一遇设计洪水情况下桥墩对河势的影响，对比桥墩处水流流速、流态变化，为桥梁基础防护提供数据支撑。

1 数值模型处理

1.1 颍云桥概况

拟建颍云桥位于禹州市区西北，为4跨190m长大桥。主桥主桥采用V腿+挂孔桥梁方案，下部采用V腿刚构桥梁，主桥上部结构均采用预应力变截面混凝土箱梁结构，路面呈拱形。颖云桥V腿桥墩断面图，如图1所示。

图1 颖云桥V腿桥墩断面图

1.2 二维数学模型简介

MIKE21是一个专业的二维数学模型工程软件包，广泛用于模拟河流的水流、波浪、泥沙及环境。MIKE21为工程应用提供了完备、有效的设计环境。经国内外诸多工程项目实际应用，证明软件不仅精度高、守恒性好，而且使用方便。MIKE21在平面二维自由表面流数值模拟方面展现出来的高级图形用户界面与高效的计算引擎，使其在世界范围内成为了水流模拟专业技术人员不可或缺的工具[1]。

1.3 模型基本原理

模型是基于三向不可压缩和Navier-Stokes方程，并服从于Boussinesq 假定和静水压力的假定。

平面二维水流连续方程为：

(1)

平面二维水流动量方程为：

(2)

式中：x、y、z为空间笛卡尔坐标；t为时间坐标；η为河底高程；d为静水深，即基准面到底床的距离；h为总水深，h=η+d；u、v分别为x、y方向的流速分量；u，v为基于水深平均的流速；g为重力加速度；p为水的密度；p0为水的参考密度；pa为大气压力；Sxx、Sxy、Syx、Syy为辐射应力张量各方向的分量；S为源项产生的流量，由点源进入周围水体的流速表示为(us，vs)；Tij为侧向应力项，包括黏滞摩擦、湍流摩擦、差异平流。

1.4 边界条件处理

1)模型边界条件：

边界是指陆地和水之间的边界，包括闭合边界和开边界两种。对于所有垂直于闭合边界的变量都设为0。考虑洪水淹没范围，陆地边界为河道两岸堤防，并给定两岸边界为非滑移边界，即：u=0，v=0。开边界是指可以应用边界条件(水位或流量等变化过程)的地方。

2)干湿边界：

超标准洪水下可能发生河道溢流，河岸两侧滩地将处于干湿边交替区，为保证模型计算的稳定性，设定干湿水深。

当某一单元的水深小于湿水深时，在此单元上的水流计算会被相应调整。当水深小于干水深时，该网格单元将被冻结不再参与计算，直至重新被淹没为止，模型中基于淹没深度参数来判定某一网格单元是否处于淹没状态；当某一网格单元处于淹没状态但水深小于湿水深时，模型中将在该网格点处不再进行动量方程的计算，仅计算连续方程。

1.5 网格划分

计算区域网格划分采用三角形网格，计算区域网格布置见图2。网格边长约10-25m，最大面积不超过400m2。网格在桥墩位置进行了局部加密，边长2-6m，最大面积不超过30m2。总节点数4934，总网格数9508。

图2 计算网格划分图

1.6 计算参数选取

颍云桥所在河段基本平顺，河床中上覆土层厚约3-6m，岩性主要为卵石，主河槽无植被，河道糙率取值为0.0275。

1.7 桥墩概化处理

在应用二维数值模型模拟时，常用的桥墩概化处理方法有2种：局部阻力修正法和直接模拟法。局部阻力修正法建立在等效阻力的基础上，对桥墩所在网格的糙率进行修正并相应太高网格高程，将桥墩作为过水区域处理，这样的处理模式不必描述桥墩边界，可以减少计算网格数量，缩短计算时间，但桥墩所在位置及附近的流场则会失真，这便影响了计算结果的精度；直接模拟法采用加密网格，精确描述桥墩的边界并将其作为不透水区域处理，所得流场较为真实可靠[2]。本次根据桥梁的特点对桥墩采用直接模拟法。

2 计算结果

2.1 河道流速、流态变化模拟结果

平面二维数学模型计算成果数据量较大，为便于比较分析拟建工程建设前、后引起的河道水动力条件的变化，在计算区域布置若干个流速采样点，采样点布置见图3。

图3 计算网格划分图

首先模拟50a一遇设计洪水下的河流河势，由于采样点较多，文章选取桥墩P2附近采样点的流速变化见表1，同时为了形象、直观地反应工程建设后对流速、流向的影响，绘制了工程实施前后河道及桥址处二维流速、流向图如图4-图6所示。

表1 50a一遇设计洪水流速变化表

图4 建桥前河道二维流向图

图5 建桥后桥址二维流速图

图6 建桥后桥址二维流向图

由于V腿桥墩在不同设计水位情况下淹没程度不一样，因此文章也模拟100a一遇设计洪水下的河流流态，与50a一遇设计洪水计算成果进行对比分析。100a一遇设计洪水流速变化表，如表2所示。

表2 100a一遇设计洪水流速变化表

2.2 河势影响分析

1)由于桥墩导致桥址处过水面积减小，对水流产生收束和挤压。由50a一遇工况表可以看出桥墩之间流速增大，P2桥墩两端(采样点6、7)由工程建设前的3.26m/s增加到工程建设后的3.48m/s，由工程建设前的3.31m/s增加到工程建设后的3.58m/s。

2)受桥墩的阻水影响，桥墩近区附近局部产生绕流和回流，流速明显减小，桥墩的墩头和墩尾处影响较大。(采样点5、8)由工程前的3.43m/s、3.14m/s减小到工程后的2.32m/s、1.37m/s，流速变率为32.24%、56.55%；桥墩周围由于绕流及回流影响，桥墩尾部周围流速变化较大[3]。

3)由50a一遇设计洪水工况和100a一遇设计洪水工况对比分析可以看出工程建设后，由于100a一遇设计洪水淹没V腿桥墩较多，100a工况下流速变化也相应较大。

3 结 论

通过数值模拟计算，我们可以清晰直观的观察建桥前后影响范围及幅度，流速变化明显区域仅桥墩墩头及尾部，其余部位影响较小。拱桥V腿桥墩由于其特殊的构造，对于水流流速及流态的变化影响随着水位升高而变大。本次数据模拟成果可以为拱桥V腿桥墩基础防护提供数据支撑。