感潮河道桥梁和码头工程群对行洪累积影响

陈 珺，于明田，邓丽华，陆迎香

(1.河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏 南京 210098；2.河海大学水利水电学院，江苏 南京 210098； 3.重庆西科水运工程咨询中心，重庆 400016)

随着河道的开发与利用，桥梁和码头工程建设日益增多。河道内修建单座桥梁或码头工程对河道行洪影响的问题已有较多学者进行过研究，如赵淳逸等[1-4]探究了桥梁建设对河道行洪的影响，孙东坡等[5-6]针对码头建设带来的行洪影响进行了研究，大多数研究表明单座桥梁或码头工程对河道行洪影响相对较小。然而，多座桥梁和码头工程的不断修建，则会形成累积效应，影响河道行洪。对此，一些学者开展了相关研究：朱军政等[7]采用阻力修正方法模拟桥墩的阻水作用，计算分析了多座桥梁行洪的影响；孙志林等[8]基于Delft3D数学模型，探讨了潮流对多桥的复杂响应；吴迪等[9]采用一维非恒定流河网数学模型，分析了佛山市桥梁群对河道行洪的影响；刘长波[10]通过概化水槽试验和理论分析，就码头群对河道行洪及冲淤的叠加效应展开了研究；江磊等[11]采用资料分析和数值模拟方法，以南京河段新济洲码头群为研究对象，分析了码头群密度及非均匀度对近岸洪水动力特性的叠加影响；张细兵等[12]采用数学模型研究了武汉河段桥梁群和扬中河段码头群对河道洪水位及流场累积影响；陈珺等[13]和褚晓岑等[14]基于Delft3D数学模型分别研究了宁波三江口区域码头群和桥梁群对河道防洪纳潮的影响。以上研究成果均表明多座桥梁或码头工程的存在会引起工程群效应，对河道行洪与河势安全产生明显影响。考虑到河道内同时存在桥梁和码头工程群的情况较为普遍，两类工程群对河道行洪会产生累积影响，本文选取甬江流域感潮河段为研究区域，通过建立平面二维非恒定潮流数学模型，探讨桥梁和码头工程群对河道行洪累积影响规律。

1 研究区域及桥梁和码头群概况

甬江是宁波市的母亲河，由上游支流奉化江和姚江在三江口汇集而成，三江口以下河段称为甬江，于镇海口流入东海。从20世纪50年代至今，宁波市城区奉化江、姚江和甬江累积修建桥梁14座，码头工程212座(图1)，其中奉化江澄浪堰至三江口河段跨河桥梁5座，有江厦桥、兴宁桥和铁路桥在河道内设有桥墩；姚江大闸至三江口河段的新江桥、解放桥和永丰桥均在河道内设有桥墩；甬江跨河桥梁6座，只有甬江大桥、外滩大桥和招宝山大桥在河道内设有桥墩。甬江码头结构形式有高桩式、重力式和浮码头三类，其中以高桩式码头为主，码头吨级为500～20万t不等，1万～2万t级的码头全部位于招宝山大桥至镇海口河段。研究区域内的桥梁和码头群的阻水比和分布密度统计见表1和表2，其中阻水比为100年一遇洪水+5年一遇潮落急时刻工程阻水面积与河道过水面积之比。由表1和表2可见，奉化江和姚江由于河道较窄，桥梁布置的桥墩较多，桥梁阻水比相对较大；而甬江河道较宽，甬江大桥与外滩大桥桥墩虽然尺寸较大，但阻水比相对较小。码头工程分布于甬江河道两岸，其中三江口至宁波大学与镇海电厂至镇海口河段，码头工程数量较多且分布密度较大，分别达10.13座/km和12.20座/km。

表1 桥梁工程统计

表2 码头工程统计

1—永丰桥；2—解放桥；3—新江桥；4—江夏桥；5—兴宁桥；6—铁路桥；7—甬江大桥；8—外滩大桥；9—招宝山大桥图1 桥梁和码头工程与研究河道示意图

2 模型建立与验证

基于Delft3D软件水动力模块，建立感潮河道平面二维非恒定潮流数学模型[15-16]。该模型采用贴体交错四边形网格离散计算区域，通过交替隐式差分法(ADI)对方程进行离散求解，具体控制方程及求解方法见文献[17]。

2.1 计算区域选取与网格划分

考虑到桥梁和码头群的分布情况和影响范围，选取姚江大闸(边界1)和奉化江水文观测断面CS7(边界2)为模型上边界，甬江口附近海域(边界3、4)作为模型计算下边界(图2)。模型地形根据2016年实测地形数据通过插值得到。采用正交曲线网格对研究区域进行网格划分，网格总数为6.76×105个，网格尺寸为5～18 m，并对桥梁和码头工程所在网格进行局部加密，网格尺寸为4～14 m。研究河道整体网格和三江口局部区域网格如图3所示。

图3 研究河道整体网格和三江口局部网格

2.2 桥梁和码头工程概化

由于桥梁的桥墩和码头的桩体改变了河道地形，阻挡了水流，增加了水流局部阻力，本文采用修正地形和糙率的方式，对研究区域内的桥墩与码头桩体进行概化，具体原理如下：

a. 地形修正。假设网格单元河底高程增加值阻挡的流量与桥墩或码头桩体阻挡的流量相同[18]，得到网格单元内河底高程增加值为

Δzb=h(b1/b2)6/7

(1)

式中：b1为网格单元内桥墩或桩体沿河宽方向总宽度；b2为沿河宽方向网格单元宽度；h为水深。

b. 糙率修正[18]。考虑桥墩或码头桩体影响后的网格糙率修正公式如下：

(2)

式中：n1为工程所在网格单元综合糙率；n0为无工程时河床糙率；n*为工程阻水增加的局部糙率；ζ为桥墩或桩体阻力系数；g为重力加速度。对于桥墩，按照JTS 144—1—2010《港口工程荷载规范》[19]，根据不同形状选取相应的阻力系数，圆形时取值为0.73，圆端形时取值为0.52，矩形时根据长宽比取值为1.1～1.5。高桩式码头工程桩群可看作拦污栅形式的阻水建筑物[20]，桩群阻力系数可按下式计算：

(3)

式中：β为桩体形状系数，方桩的β取为2.43，圆桩的β取为1.79[20]；b为桩间距；θ为桩与河底夹角。

甬江大桥、外滩大桥的桥墩尺寸较大，与模型计算网格尺寸相当，故采用地形修正的方法，直接把桥墩所在网格地形高程调整至河道最高水位以上；永丰桥、解放桥等桥梁的桥墩尺寸相对较小，桥墩尺寸小于网格尺寸，采用地形和糙率修正的方式进行概化；重力式码头由于不透水，整体尺寸较大，同样采用地形修正的方法，把码头所在网格地形高程调整至河道最高水位以上；高桩式码头的桩墩尺寸小于网格尺寸，采用糙率和地形修正的方式进行概化，浮码头则不进行概化处理。

2.3 模型率定与验证

模型计算边界1给定姚江大闸实际排放流量过程，边界2给定水文观测断面CS7实测潮流量过程，边界3和边界4给定镇海口水文测站实测潮位过程。模型采用实测资料对河道已存在桥梁和码头的情况进行率定和验证，桥梁和码头工程的概化采用2.2节的方法进行处理。采用2015年6月24日20时至25日22时洪季小潮实测水文资料对模型进行率定(图4和图5)，通过率定，河槽糙率取为0.016～0.025，滩地糙率取为0.026～0.032。采用2016年1月3日14时至4日17时实测枯季小潮水文资料对模型进行验证(图6和图7)，由图6和图7可以看出，各水文测站模拟潮位误差较小，各观测断面测点流速大小和方向过程与实测基本吻合，模型满足规范要求[21]，表明模型可用于桥梁和码头群对河道行洪影响的模拟研究。

图4 2015-06-24洪季小潮各水文测站潮位率定

3 模型计算与结果分析

3.1 计算方案

采用所建平面二维非恒定潮流数学模型，计算100年一遇洪水+5年一遇潮位组合条件下，桥梁和码头群对河道行洪的影响，计算方案如表3所示，其中方案4为目前河道已存在桥梁和码头的现状方案，模型已在2.3节进行了率定和验证；方案1～3为对比计算方案，分别为将河道逐渐恢复到无工程、仅有桥梁工程、仅有码头工程的3种情况。鉴于河道涉水工程在洪水期间对河口落潮行洪影响程度较大，因此选定100年一遇洪水+5年一遇潮位组合条件下的落急时刻进行研究。对应计算边界条件如下：边界1姚江大闸流量为509 m3/s，边界2 CS7断面流量为1 642 m3/s，海域边界3和4的潮位为-0.56 m。

图5 2015-06-24洪季小潮各断面流速流向率定

图6 2016-01-03枯季小潮各水文测站潮位验证

图7 2016-01-03枯季小潮各断面流速流向验证

表3 计算方案设置

3.2 工程群对河道洪水位影响分析

通过对比分析甬江无工程(方案1)的计算结果和存在不同工程群(方案2～4)的计算结果，获得洪水条件下，方案2～4对河道水位影响结果如图8～10所示，河道断面水位变化平均值沿程分布如图11所示，河道水位影响统计如表4所示。以下分别对桥梁群、码头群和两者同时存在对河道洪水位的影响开展分析。

3.2.1桥梁群对河道洪水位的影响

桥梁群主要位于三江口附近，在多座桥梁的共同影响下，奉化江和姚江河段水位整体壅高。由图8、图11和表4可知，奉化江壅水范围从三江口到CS7断面，水位壅高值为0.2～2.2 cm，姚江壅水范围从三江口至姚江大闸闸下，水位壅高值为1.3～2.1 cm，桥梁附近位置受桥墩影响水位有一定波动，但仍保持壅高。而甬江大桥与外滩大桥由于桥墩尺寸较大，局部位置阻水作用明显，导致桥墩迎水面水位壅高，两侧及背水面水位降低，其中甬江大桥桥墩附近水位最大壅高8.95 cm，最大降低4.68 cm；外滩大桥水位最大壅高7.1 cm，最大降低4.0 cm。宁波大学至招宝山大桥上游河段水位基本不受三江口桥梁群的影响，招宝山大桥位于甬江下游，距上游三江口桥梁群较远，仅表现出单座桥梁影响特征，水位最大壅高2.8 cm，最大降低1.7 cm。

图8 桥梁群对河道水位影响分布

图9 码头群对河道水位影响分布

图10 桥梁和码头群对河道水位影响分布

图11 不同方案河道断面水位变化平均值沿程分布

表4 不同方案下河道水位变化

3.2.2码头群对河道洪水位的影响

根据研究河道的码头工程分布密集程度，将码头工程群分为三江口—宁波大学、宁波大学—镇海电厂和镇海电厂—镇海口3段，其中前后两段码头工程数量较多且分布密度较大。由图9、图11和表4可知，在3段码头群联合作用下全河段水位普遍壅高，其中码头群上游的奉化江水位壅高2.9～5.5 cm，范围到达CS7断面；姚江水位壅高4.9～5.5 cm，范围到达姚江大闸闸下；在码头群所在甬江河段水位出现不同程度的交错壅高，三江口—宁波大学河段水位壅高2.0～5.6 cm，宁波大学—镇海电厂河段水位壅高2.0～3.3 cm，镇海电厂—镇海口水位壅高0～2.6 cm，降低0～0.2 cm，甬江水位壅高和降低最大值分别为8.78 cm和4.88 cm，分别出现在航代白沙码头和上航二处镇海2号码头附近，这两个码头水位局部变化见图9左上角和右下角。

3.2.3桥梁和码头群对河道洪水位的累积影响

由图10、图11和表4可知，受到桥梁和码头群分布位置影响，两类工程群对河道洪水位的累积影响区域主要集中在宁波大学上游的甬江、奉化江和姚江河段。在桥梁群和码头群均引起壅水的奉化江和姚江河段，两类工程群的联合作用下，奉化江水位壅高4.5～7.2 cm，姚江水位壅高6.3～7.1 cm，水位壅高幅度较单类工程群大，但不是两类工程群影响的简单叠加。在甬江大桥与外滩大桥附近区域，桥梁的存在使得桥墩两侧及背水面水位降低，而桥梁所在断面的左岸码头群的阻水效应则引起河段水位壅高，两类工程群的联合作用使得水位的变化幅度减小。在多座桥梁的共同影响下(方案2)，甬江大桥桥墩附近水位最大壅高与最大降低分别为8.95 cm和4.68 cm，而在桥梁和码头群共同作用下(方案4)，水位最大壅高值增大至14.39 cm，最大降低值减小至2.64 cm。在甬江宁波大学—镇海口河段，水位变化主要受码头群影响，三江口桥梁群对其基本没有影响，因此在该河段方案4水位变化结果与方案3基本一致。

表5 不同计算方案各河段流速变化主要分布 cm/s

3.3 工程群对河道流速影响分析

通过对比分析甬江无工程(方案1)的计算结果和存在工程群(方案2～4)的计算结果，获得洪水条件下，方案2～4对河道流速影响结果如图12～14所示，河道流速影响统计如表5所示。以下分别对桥梁群、码头群和两者同时存在对河道流速的影响开展分析。

图12 桥梁群对河道流速影响分布

图13 码头群对河道流速影响分布

图14 桥梁和码头群对河道流速影响分布

3.3.1桥梁群对河道流速影响

由图12和表5可见，桥梁群对奉化江和姚江河段整体流速影响较小，流速变化主要位于桥墩附近局部区域，具体表现为桥孔间流速增大，桥墩迎流面和背流面流速减小。例如，奉化江铁路桥局部流速最大增加值为0.18 m/s，最大减小值为0.17 m/s，影响范围为上游108 m至下游265 m。由于三江口区域的江夏桥、新江桥、甬江大桥和外滩大桥间距较小，使得该区域桥梁群的“群效应”影响较为明显，四座桥梁引起的河道局部流速增加区域基本连通成片，甬江大桥和外滩大桥引起的河道局部流速减小区域完全连通；甬江大桥桥墩左侧流速普遍增加0.04～0.10 m/s，右侧流速普遍增加0.03～0.15 m/s，流速最大增加值为0.27 m/s,最大减小值为1.33 m/s，位于桥墩背流面。

3.3.2码头群对河道流速影响

由图13和表5可见，码头群引起上游奉化江和姚江流速减小，减小值分别为0～4 cm/s和0.5～2.5 cm/s，距三江口越远流速变化越小。在甬江河道，码头工程桩群所在区域流速减小，码头工程外侧河道流速增加，其中三江口—宁波大学河段与镇海电厂—镇海口河段，北岸码头工程分布较为密集，工程局部流速减小区域与外侧河道流速增加区域均呈带状分布；这两个河段码头工程局部区域流速减小值分别为0～0.13 m/s和0～0.09 m/s，外侧河道流速增加值分别为0～0.07 m/s和0～0.08 m/s；局部流速减小最大值约0.74 m/s，出现在解放军7815工厂4号码头附近；局部流速增加最大值约0.30 m/s，出现在宝达水泥码头附近。

3.3.3桥梁和码头群对河道流速累积影响

由图14和表5可见，桥梁和码头群对河道流速的累积影响主要集中在宁波大学上游的甬江、奉化江和姚江河段,影响结果遵循如下规律：在两类工程群单独作用下均引起流速增加或减小的区域，桥梁和码头群的联合作用使得流速变化幅度更大，但不是两类工程群影响幅度的简单叠加；在两类工程群单独作用下流速变化相反的区域，工程群的联合作用使流速变化幅度减小，具体表现为：与方案2相比，受到甬江码头工程群影响，奉化江和姚江整体流速减小，同时在桥梁局部区域，桥孔间流速增加幅度及影响范围减小，桥墩迎流面和背流面流速减小幅度及影响范围增大。在甬江河段，甬江大桥与外滩大桥河段左岸由于码头工程的存在，沿岸流速明显减小；两桥桥墩左侧流速增加，但受到左岸码头工程的影响，流速增加幅度及影响范围减小。例如，方案2中甬江大桥与外滩大桥的流速增加0.04 m/s等值线完全贯通，影响范围为上下游1 km，而方案4中甬江大桥桥墩左侧流速增加0.04 m/s的影响范围减小为上下游250 m。在甬江宁波大学—镇海口河段，流速变化主要受码头群影响，三江口桥梁群对其基本没有影响。在桥梁和码头群联合作用下，流速局部增加最大值约0.3 m/s，出现在宝达水泥码头附近，局部流速减小最大值为1.33 m/s，出现在甬江大桥桥墩背流面。

4 结 论

a. 桥梁群对河道行洪影响集中在宁波大学上游的甬江、奉化江和姚江河段。多座桥梁的共同影响引起奉化江和姚江水位整体壅高，桥梁群对流速的影响主要位于桥墩附近局部区域，具体表现为桥孔间流速增加，桥墩迎流面和背流面流速减小。

b. 码头群对研究区域河段行洪产生影响。码头群引起全河段水位普遍壅高，对流速的影响表现为码头桩群所在区域流速减小，工程外侧河道流速增加。

c. 桥梁和码头群对河道行洪累积影响主要集中在宁波大学上游的甬江、奉化江和姚江河段。其中，在桥梁群和码头群均引起壅水的奉化江和姚江河段，壅高幅度较单类工程群大，但并非两类工程群影响的简单叠加，桥梁和码头群引起奉化江和姚江整体流速减小。在两类工程群单独作用下水位(流速)变化相反的区域，受工程群的联合作用导致水位(流速)变化幅度减小。