水动力模型在桥梁防洪影响分析中的应用

梁锦钊

（东莞市万江水务工程运营中心,广东 东莞 523050）

桥梁建设往往会占用河道断面,致使河道行洪面积减少、过流能力下降[1]。同时,在桥墩前后局部形成雍高和旋涡滞留区,引起水流流场变化,局部流速突变[2],这极易导致河床冲淤失衡。因此在桥梁规划和设计阶段,应对桥梁建设对河道行洪能力、河床冲淤和河势影响作出分析评价。物理模型在评价分析过程中具有周期长、耗资大的缺陷,而经验公式法由于在整个断面的概化使得计算成果精度不够。数值模拟方法因成本低、周期短、通用性强成为防洪影响评价的重要研究手段。

1 基本概况

1.1 河道概况

项目区属于东江三角洲河网区,东江是珠江水系三大河流之一,发源于江西省寻邬县,上游称邬水,南流入广东境内,至龙川合河坝汇安远水（又名定南水）后称东江。东江干流从东北向西南流动,干流至石龙全长250 km,流域总面积35340 km2。本工程坐落在东江南支流（万江河段）,即大汾南水道,河段顺直,河宽约100 m。

1.2 桥梁概况

拟建桥梁跨越东江南支流（万江河段）,道路等级为Ⅲ级公路,桥梁全长389.536m,主桥宽度22 m,引桥宽度16 m,桥梁总面积7072.54 m2。拟建工程涉及河道及管理范围桥墩共计5 排,单跨宽度35 m,其中3 排桥墩（5#～7#桥墩）布设于河道内,2 排桥（4#,8#桥墩）墩位于河道管理范围内。桥梁线位与河道岸线基本垂直,桥墩顺水流方向轴线与河道水流方向一致。拟建桥梁的设计防洪标准为100 年一遇,相应水位5.09 m,东江南支流（万江河段）为Ⅶ级航道,防洪堤标准定为堤库结合50 年一遇,相应的洪水位为4.85 m。

2 数学模型

2.1 基本方程

正交坐标系下的二维潮流控制方程如下：

其中,vt为紊动粘性系数,即vt=au*H。公式中各参数可参照相应文献,此处不再赘述。

2.2 计算方法

采用ADI 方法离散控制方程,

基本方程组采用ADI 法离散, 潮流连续方程和动量方程在n 层上x 向的离散格式整理如下：

式中：A、B、C、f、A1、B1、C1、f1、A2、B2、C2、f2等为离散系数。对离散后的基本方程组采用追赶法进行求解。

2.3 地形资料、模型范围及网格划分

二维数学模型地形资料采用实测地形。以桥幅中轴线上游510 m～下游460 m 作为二维数学模型计算区域的进口和出口断面,计算长度为970 m,二维计算范围见附图1。二维计算以河道两岸作为陆地边界线。根据工程模拟计算经验,该计算范围基本可以包括拟建大桥工程对工程所在河道行洪影响所及的范围。

图1 数学模型计算范围图

根据河道河势实际和地形变化疏密设置网格大小,在拟建工程附近布设最密集,网格最大尺寸为2 m×4 m,最小尺寸0.75 m×1.5 m,共布置网格共700×40 个。模拟水域面积约0.1 km2。二维计算区域网格划分见附图2。

图2 数学模型网格布置示意图

2.4 计算过程

通过上述基本方程、求解方法和计算网格,即可进行程序的编制和调试,建立二维数学模型。在给定边界和初始条件下,进行模型的率定和验证以确定合适的计算参数后,就可进行具体设计工况的计算了。模型编程中变量皆采用双精度实型量,各行洪影响计算水文组次中,时间步长为1 s,水位控制精度为0.001 m,流速控制精度为0.01 m/s。

2.5 动边界的处理

对研究范围内随潮落潮涨而出没的沙洲和滩地,计算时采用动边界技术,即将落潮期间出露的区域转化为滩地,同时形成新边界；反之,将涨潮期间淹没的滩地转化成计算水域。

2.6 工程概化

合理概化拟建大桥结构要符合实际情况,则可获得较精确的计算成果。对于拟建大桥布置在河道内的桥墩部分,将桥墩分布的二维计算网格作固化不过水处理。

2.7 计算工况

本次防洪评价研究主要包括两种计算工况：

（1）工程前：在现有的情况下,研究工程附近水流动力条件特征。

（2）工程后：在工程前的基础上,考虑明珠湾大桥的实施,研究工程实施后对水流动力条件的影响。

3 防洪影响要素评价

3.1 壅水分析计算

相对于天然河道,在P=1%、2%、5%不同设计频率洪水条件下：拟建大桥上游水位壅高最大值分别为2.0 cm、1.7 cm、

1.6 cm,桥下水位跌落最大值分别为0.1 cm、0.1 cm、0.1 cm。

根据计算成果,在P=1%、2%、5%不同设计频率洪水条件下,万1#处水位壅高值已降至0.7 cm、0.6 cm、0.4 cm,万2#水位壅高值已降至0.3 cm、0.2 cm、0.1 cm。

3.2 大桥工程对河道流态、流速的影响分析

根据二维水流数学模型计算成果,可以从流速的变化来定性分析工程建设前、后河床地冲淤变化。行洪影响二维数学模型计算结果数据量较大,为直观起见,有针对性地选取有代表性的计算成果整理成图表形式,再进行归纳、比较和分析。

取样点布置见图3。特征流速、流向变化统计成果见表1。

表1 取样点洪水流速特性变化统计表（P=1%）

图3 取样点布置示意图

从拟建大桥工程在各设计水文组合条件下的流速变化等值线分布图可知：拟建大桥工程实施后,受桥墩疏水作用的影响,工程及桥中轴线上游400 m～下游300 m 一定范围内,局部水动力条件会发生调整,对局部冲淤有所影响。

（1）大桥工程建设后,由于桥墩束窄了河道,这使得桥孔处的流速增加,增加值在0.01 m/s～0.6 m/s 之间。根据统计（见表1）,桥孔处的取样点流速增加值在0.102 m/s～0.184 m/s之间,增幅在5.78%～22.43%之间。

（2）受大桥桥墩遮蔽影响,上游发生大洪水时,拟建大桥位于河道内的桥墩上、下游近区流速呈带状或梭形减小并逐渐衰减,流速减少值在0.01 m/s～0.2 m/s,向上、下游分别延伸约400 m 和300 m 后逐渐恢复至工程前状态,流速减小将导致水流挟沙能力降低,进而引起泥沙淤积。

（3）受桥墩束流作用影响,大桥下游河道两岸流速增加,增加值0.01 m/s～0.6 m/s。河道下游左侧流速增加范围大于河道右侧。

3.3 工程对河道水流动力轴线变化影响分析

水流动力轴线是指河道横断面垂线流速最大点的连线。从工程前后流速变化等值线图可知,拟建工程建设后,水流仍主要在河槽区运行。根据工程前后水流动力轴线变化图（图4）,水流动力轴线最大变化值为1.8 m,位于拟建大桥工程下游附近。至二维数学模型计算上下游边界处,水流动力轴线逐步恢复正常。

图4 水流动力轴线变化图

4 结语

本文构建了跨河桥梁河道平面二维流程数值模拟模型,模拟了不同洪水频次条件下桥梁所在河段平面二维流程,以获取桥梁建设前后水位、流速及水流动力轴线变化情况,为桥梁设计及行洪安全提供技术支撑。本文构建的数值模型,能够有效应用于涉水桥梁的防洪影响评价,较为精确地反映桥墩附近水流形态,保证了流场计算可靠性,具有较高的应用和推广价值。