二维水动力模型在多座桥梁行洪影响分析中的应用

(连云港市水利规划设计院有限公司，江苏 连云港 222000)

随着工程建设的发展，模型被应用到越来越广阔的领域中。目前，常用的模型软件有MIKE 21、Fvcom等。Fvcom软件主要应用于学术研究，MIKE 21主要用来解决工程实际问题，且界面友好。

MIKE 21是一个专业的工程软件包，用于模拟河流、湖泊、河口、海湾、海岸及海洋的水流、波浪、泥沙及环境等。MIKE 21为工程应用、海岸管理及规划提供了完备、有效的设计环境。MIKE 21在我国应用的非常广泛，典型的大江大河都在应用MIKE 21软件包中不同的模块和工具解决相关的问题，采用该软件参与的项目主要有长江口水动力学、盐度模拟、 珠江口水流和泥沙模拟、 渤海湾水流和波浪模拟、嘉陵江重庆段水流模拟等。

MIKE 21主要包括前后处理、水动力学、水质和环境评价、泥沙传输四大模块。本工程主要应用水动力学模块，分析多座桥梁建设后桥下水流的叠加影响及变化情况，为工程建设提供依据。

连云港市地处我国沿海中部的黄海之滨，位于江苏省东北部，陇海铁路东端，东濒黄海，具有海运、陆运、空运相结合的优势，是我国沟通东西、连接南北的一个重要战略枢纽。新墟互通位于连云港市区，是连霍高速与港城大道交叉节点。新墟互通作为高速公路和城市快速路的交叉节点，现状具备第四象限的转换服务能力，未来无法满足该节点将承担的更重要、更多样化的路网转换需求。基于以上考虑，相关部门实施建设连云港市港城大道快速化改造——连霍高速新墟互通新增匝道工程。

工程拟在连霍高速跨排淡河桥东侧新建D匝道、西侧新建E匝道。新建D匝道下游紧邻现状陇海铁路，工程至排淡河处从西到东依次有E匝道、连霍高速、D匝道、陇海铁路桥。4座桥梁壅水相互叠加影响，影响行洪能力。本文利用二维水动力模型进行数值模拟，分析匝道建设后对排淡河的过流影响。

1 基本情况

1.1 河道概况

排淡河位于连云港市东部城区，河道从顾圩门节制闸到大板跳闸全长17.3km，主要功能为防洪、治涝、供水。本工程新建桥梁处排淡河现状河底高程约0m，底宽约18m，边坡比约1∶3。河道两岸堤防不明显，左岸地面高程为3.2～4.0m，右岸地面高程为3.8～4.2m。

1.2 桥梁概况

E匝道7～10号墩(桥跨布置为2.0m×35.0m+31.8m)段桥梁跨越排淡河。7～9号桥墩与连霍高速桥墩对孔布置，7号桥墩布置在排淡河左岸，8号桥墩布置在河底，9号、10号桥墩布置在河道右岸。桥梁平面布置图见图1。

连霍高速公路跨排淡河桥梁为预应力混凝土组合箱梁，先简支后连续结构。上部结构为简支变连续组合箱梁，由4片箱梁组成。下部结构为盖梁柱式墩，钻孔灌注桩基础，盖梁宽1.8m、高1.6m、长12.1m，直径1.5m墩柱，直径1.6m桩基。

D匝道12～15号墩(桥跨布置为40.0m+2.0m×32.5m)段桥梁跨越排淡河。12号桥墩布置在排淡河右岸，13号桥墩布置在现状河底，14号、15号桥墩布置在排淡河左岸。D匝道、E匝道桥墩均设系梁，采用钻孔灌注桩基础，跨河桥墩均采用直径1.5m圆柱接直径1.6m桩基。

陇海铁路跨排淡河桥，桥跨布置为4.0m×16.6m，1号、2号、3号桥墩位于排淡河现状河道内，桥墩承台顶高程分别为-0.64m、-2.14m、-0.64m，承台均高2.00m。

2 桥梁壅水分析

2.1 计算原理

模型系统建立在基于Boussinesq假定和流体静压假定的二维/三维不可压缩雷诺时均N-S方程的数值解的基础上。它由连续性方程、动量方程、温度方程、盐度方程和密度方程组成，并通过一个湍流解决方案将方程组闭合。对于水平尺度远大于垂直尺度的情况，由于水深、流速等水力参数沿垂直方向的变化比沿水平方向的变化要小得多，因此，将三维流动的控制方程沿水深积分，并取水深平均值，可得到沿水深平均值的二维浅水流动质量和动量守恒控制方程组。下面的控制方程均在笛卡儿坐标系(平面直角坐标系)下给出。

连续性方程：

x方向动量方程和y方向动量方程分别为

原始控制方程在空间上的离散方法采用基于单元中心的有限体积法，整个计算域细分成互不重叠的单元。在二维模型中，网格单元可以是三角形或者四边形单元。控制方程采用隐式交替方向ADI(Alternating Direction Implie)技术对潮流模型质量和动量方程进行离散，所得的矩阵方程用追赶法(Double Sweep)求解。各微分项和重要系数均采用中心差分格式，防止离散过程中可能发生的质量和动量失真及能量失真。Taylor级数展开的截断误差可达到二阶至三阶精度。

2.2 计算范围

计算范围：陇海铁路桥上游2.64km至下游0.20km处，模拟河段全长约2.66km。模型范围包含上下游两个边界外。

网格划分：采用无结构三角形网格剖分，边长一般为1～10m，项目区位置处加密为1～2m，网格数为17383个，节点数为5894个。

2.3 模型参数

二维数学模型计算涉及的主要参系数有河道糙率和计算时间步长等。河道糙率是一个综合阻力系数，反映了计算河段的河床河岸阻力、河道形态变化、水流阻力及河道地形概化等因素的综合影响，计算所采用的河道糙率为0.025。模型计算采用的时间步长根据CFL(浮点数)条件进行选取，本次计算时间步长取5s。

2.4 计算工况

计算工况考虑现状及特大桥建成后2种工况，分别为：

工况1(现状工况)：参考《连云港市排淡河(顾圩—开发区段)整治工程初步设计报告》，模型计算上边界为20年一遇设计流量137m3/s，下边界为20年一遇设计水位3.17m。河道规模采用现状规模，河道内考虑建有连霍高速排淡河桥及陇海铁路桥。

工况2(工程建成后工况)：模型计算上边界为20年一遇设计流量137m3/s，下边界为20年一遇设计水位3.17m。河道规模采用现状规模，河道内除考虑建有连霍高速排淡河桥及陇海铁路桥外，再新增建设D、E匝道桥。

2.5 计算结果

2.5.1 水位影响分析

为了分析工程实施前后水位的变化，在工程周边选取10个水位监测点(点位布置见图2)，水位变化情况见表1。通过分析各监测点工程实施前后水位的变化，来研究拟建工程对河道水位可能产生的影响。

图2 对比点位置示意图

表1 工程建成前后各对比点水位变化 单位：m

根据计算成果(见图3、图4)可知，工程建成后，E匝道墩前水位抬高0.012m，桥墩上游周边其他区域水位抬高0.001～0.002m；D匝道墩前水位抬高0.008m,桥墩上游周边其他区域水位抬高0.001m。点8、点9所在的铁路桥中间2跨水位降低0.001～0.008m，铁路桥靠近岸边2跨水位抬高0.001～0.005m。

图3 工程现状水位计算成果

图4 工程建成后水位计算成果

由此可知，工程建成后，除紧挨D、E匝道桥墩前水位抬高幅度较大外，其余位置处水位有抬高、有降低，总体变化幅度不大。

2.5.2 流速影响分析

工程建成前后各对比点流速变化情况见表2。由计算成果(见图5、图6)可知，工程建成后，E匝道墩前流速减少0.22m/s，桥墩上游周边其他区域流速减少0.016～0.018m/s；D匝道墩前流速减少0.19m/s,桥墩上游周边其他区域流速减少0.012～0.014m/s。铁路桥中间2跨流速增加0.002～0.013m/s,铁路桥靠近岸边2跨流速减小0.015～0.021m/s。

图5 工程现状流速计算成果

图6 工程建成后流速计算成果

表2 工程建成前后各对比点流速变化 单位：m/s

由此可知，工程建成后，除铁路桥中间2跨流速增加外，其余点位流速均有所降低。

2.5.3 流场影响分析

由工程建成前后流场图(见图7、图8)对比可知，工程建成后D、E匝道桥墩位置处流场有一定变化，受D匝道桥墩建设影响，点9所在的铁路桥跨流场有一定变化，其余位置流场总体变化不大。

图8 工程建成后流场计算成果

3 结 论

由二维水动力模型计算成果分析可知，工程建成后，D、E匝道桥墩前水位抬高幅度较大，且流场有一定变化。受E匝道桥墩建设影响，铁路桥中间2跨流速有所增加，且点9所在的铁路桥跨流场有一定变化。流速、流场的变化势必影响河势稳定及已有建筑物安全。

本文采用二维水动力模型对桥梁处排淡河流场进行数值模拟，且模型能够较好地反映桥址处河道水位、流速等水力要素的变化情况，该方法能够为工程建设前后影响分析提供理论依据和技术支持，有广阔的应用前景。