桥梁建设对河道水流影响的数值模拟分析

栾 巍

(安徽省城建设计研究总院股份有限公司，合肥 230051)

0 引 言

跨河桥梁的建设势必引起与现有河道功能发生影响，在河道中设置桥墩更会缩窄河道断面。桥梁修建对河道的影响主要是桥墩处流速大小的变化、桥墩处水流流场的变化以及桥墩造成的上游雍水和对桥墩周边的冲刷，使河道安全运行存在风险。因此，桥梁建成后对河道水流影响分析是河道管理的重要内容之一。本文以安徽省安庆市稼先路桥跨高河大河为例，运用MIKE软件对建桥前后水流流场进行模拟，为后续消除和减轻影响措施提供一定的技术支持。

1 MIKE模型计算理论

运用MIKE软件对河道水流进行模拟，MIKE21是MIKE软件中的二维模型模块，该模型运用三向不可压缩方程以及Reynold值均分布的Navier-Stokes方程，同时运用静水压力的假定和Boussinesq假定[1]。二维非恒定浅水方程组为：

式中：t为时间；η为水位；h=η+d为总水深；u、v分别为X和Y方向上的速度分量，x、y为笛卡尔坐标系坐标；f为科氏力系数；g为重力加速度；ω为地球自转角速度；φ为当地纬度；Sxx、Sxy、Syy分别为辐射应力分量；S为源项；ρ为水的密度。

横向应力Tij包括黏滞阻力，紊动摩擦阻力和差动平流摩擦阻力，用垂向流速平均的涡黏方程来计算：

MIKE21非结构化网格模型采用非结构有限体积法离散控制方程。有限体积法中使用的非结构网格通常由三角形或四边形网格组成，为了准确拟合河道曲折的岸边界，一般采用三角形网格进行计算[2]。

2 计算实例

2.1 工程概况

稼先路高河大河桥位于高河大河城区段，距高河大河入三鸦寺湖口约7 km，河道在桥位段基本顺直。拟建稼先路桥总宽50 m，主桥采用40+80 m独塔无背索斜拉桥，塔-梁-墩全固结体系。塔高62.8 m，宽2.8 m，拉索间距8 m，采用平行布索，主梁采用预应力混凝土箱梁，梁高2.5 m。引桥上部结构为30 m跨先简支后连续小箱梁，梁高1.6 m；引桥40 m跨简支小箱梁梁高2 m。桥台采用桩柱式桥台，钻孔灌注桩基；30 m跨引桥桥墩采用Φ1.4 m桥墩，下接Φ1.5 m钻孔灌注桩基；40 m跨引桥桥墩采用Φ1.6 m桥墩，下接Φ1.8 m钻孔灌注桩基。

高河大河系三鸦寺湖流域的一条主要支流，主河道全长13.33 km，流域面积为204.3 km2。现状防洪标准达50年一遇。桥址处左岸堤顶高程约18.624 m，右岸堤顶高程约18.48 m，为草皮护坡；左岸有宽8 m堤顶道路，右岸有宽6 m堤顶道路。工程断面呈U形断面，上口宽约291 m，河底高程约9.94 m，底宽约55 m。河道设计泄洪能力1 423 m3/s。

2.2 计算方案

桥梁所跨河道防洪标准为50年一遇，本次计算以该段河道50一遇洪水水文条件为计算边界，研究分析洪水条件下桥梁建设方案对河道水位、流速、流向、冲刷的影响[3]。

2.3 模型建立

2.3.1 计算范围及边界条件

1) 计算范围。采用实测河道平面地形及河道断面资料，计算范围为老206国道桥下至石如大道桥2.73 km长的河道范围。

2) 糙率。河口-新206国道段：堤内脚无明显滩涂地，糙率取值0.03；新206国道至铁路桥段：左堤已退30 m左右，堤内脚也无明显滩涂地，糙率取值0.027 5。

3) 网格。由于老206国道桥下至石如大道桥段河道整体面积不大，计算区域内地形没有急剧变化的特点，同时考虑河道地形图测量精度，兼顾模型运算速度及稳定性，一般采用边长约30 m的三角形作为计算网格，桥墩上下游200 m采用5 m的网格桥墩进行加密，加密最小计算网格边长按1 m控制，共剖分8 587个网格。见图1、图2。

4) 时间步长。利用有限体积法计算三角网格的水流模拟时，采用30 s作为最大时间步长，0.01 s作为最小时间步长。

5) 边界条件。老206国道至入河口段50年一遇设计流量为1 497 m3/s，下游石如大道桥50年一遇设计洪水位为17.31 m。50年一遇设计洪水，上游以老206国道50年一遇设计流量作为上边界，下游以石如大道桥50年一遇设计洪水位作为下边界。

2.3.2 参数复核与模型验证

河口-新206国道段：堤内脚无明显滩涂地，糙率取值采用0.03。利用高河大河的高河水文站2020年7月5日和7月20日实测流量、水位资料进行参数复核和模型验证，通过试错法，模型模拟水位值与实测水位值误差在1 cm左右，总体精度较好，基本满足模拟分析要求。见表1。

图1 老206国道桥下至石如大道桥段河道网格剖分示意图

图2 老206国道桥下至石如大道桥段河道网格地形示意图

表1 2020年洪水高河大河二维模型精度评价表

3 结果分析

3.1 流速分析

工程修建前后，高河大河设计洪水条件下,稼先路桥桥墩区域的流速大小计算成果见表2。左岸桥墩的上下游流速降低较多，降低0.82～1.18 m/s；左岸桥墩至左岸堤防之间流速大小变化不大。桥墩至河道主槽之间流速增大了0.37～0.63 m/s，即由1.8 m/s左右增大至2.17～2.38 m/s。右岸桥墩上游流速变化较小，桥墩下游流速降低0.55 m/s左右；右岸桥墩至右岸堤防之间流速变化甚微。

工程修建前后，高河大河设计洪水条件下，稼先路桥桥墩断面处的流速分布计算成果见图3。

表2 50年一遇洪水条件下高河大河在建桥前后各特征点流速峰值比较表

图3 工程修建前后桥址处流场图

3.2 流场分析

工程修建前后，高河大河设计洪水条件下，老206国道桥下至石如大道桥河段及稼先路桥桥墩区域的流场计算成果见图4。

现状无桥梁时，河道主流流速在1.5～1.8 m/s之间，顺直型河道流场也较为流畅，河道无紊流和绕流情况。桥梁右岸段滩地窄，堤防至河道主槽之间地形变化较为剧烈，因此近岸段流速达3 m/s。

稼先路桥修建后，河道主流流速在1.8～2.4 m/s之间，总体上因河道为顺直型河道，流场较为流畅。左岸桥墩至左岸堤防之间流场及流速无明显变化；左岸桥墩周边有一定绕流情况，同时桥墩前及桥墩后流速降低至0.4～0.9 m/s，区域总体流速降低0.9 m/s左右；左岸桥墩至主槽之间流场无明显变化，但流速增大0.4～0.6 m/s。右岸桥墩至右岸堤防之间流场及流速无明显变化；右岸桥墩周边绕流范围很小，桥墩前流速无明显变化，桥墩后速降低至1.3 m/s，降低0.5 m/s左右；右岸桥墩至主槽之间流场无明显变化，但流速也增大0.4～0.6 m/s。

总体上，稼先路桥的修建对桥墩至岸坡堤防之间水流流场及流速的影响很小，左岸桥墩上下游存在绕流情况，但影响范围较小，桥梁区域的主槽之间流速由1.5～1.8 m/s增大至1.8～2.4 m/s，河道主槽流速增大0.4～0.6 m/s。河段右岸由于岸坡较陡及迎流顶冲等原因，设计洪水条件下近岸段流速达3 m/s。

3.3 壅水分析

工程修建前后，高河大河设计洪水条件下，稼先路桥上游各特征点相应位置的50年一遇洪水位计算成果见表3。工程修建后，稼先路桥前雍水达到6 cm，桥梁雍水至400 m，对桥梁400 m以上河段影响甚微。

图4 工程修建前后老206国道桥下至石如大道桥河段流场图

表3 工程修建前后各特征点水位比较表

3.4 冲刷分析

工程建成后，河道部位存在一般冲刷及局部冲刷，桥墩处局部冲刷会形成冲坑。由于左侧桥墩位于河滩地，洪水期冲刷严重，河滩部分一般冲刷0.32 m、局部冲刷达4.54 m；河槽部分一般冲刷0.04 m、局部冲刷达0.97 m。见表4。

表4 工程修建前后桥址处冲刷计算表

4 结论与建议

1) 设计50年一遇洪水工况下，稼先路桥的修建对桥墩至岸坡堤防之间水流流场及流速的影响很小，桥梁区域的主槽之间流速由1.5～1.8 m/s增大至1.8～2.4 m/s，河道主槽流速增大0.4～0.6 m/s。稼先路桥前雍水达到0.62 cm，桥梁雍水至桥上游400 m。在河道上修建桥梁后，桥下水流受桥墩的阻壅作用，河道中单宽流量增加，局部水面比降和流速加大，导致河床产生一般冲刷，同时在桥墩附近形成复杂的流态，导致桥墩周围出现局部冲刷[4]。由于左侧桥墩位于河滩地，洪水期冲刷严重，局部冲刷达4.54 m。

2) 由于桥梁所在河段右岸岸坡较陡、迎流顶冲及桥梁建设等影响，50年一遇设计洪水条件下近岸段流速达3 m/s。建议桥梁修建后，对左岸桥位处及上游50 m、下游100 m迎水侧岸坡实施护砌防护措施，对右岸桥位处及上游100 m、下游150 m范围迎水侧岸坡实施护砌防护措施。