输水明渠桥梁群壅水影响数值模拟分析

摘要：为研究城市输水明渠桥群产生的壅水影响问题，以成都市重要输水明渠东风渠为例，建立了东风渠涉水桥梁群的平面二维水动力数学模型，分析了桥梁座数、桥梁间距、明渠流量对桥梁群壅水的影响，以及明渠壅水与桥梁座数、距离的函数关系。结果表明：桥梁壅水与桥梁个数、距离及流量密切相关，即随着明渠上游桥梁个数的增加，上游壅水高度相应增加；随着桥梁间距离增大，明渠上游壅水高度相应减小；随着设计流量增大，上游壅水高度相应增大。明渠平均壅水高度与桥梁座数、桥梁距离均呈对数函数分布，且当流量增加时，壅水效应明显。

关键词：输水明渠； 桥群； 壅水； 水动力数学模型； 东风渠

中图法分类号：TV68

文献标志码：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.12.013

文章编号：1006-0081（2023）12-0076-06

0引言

橋墩壅水作为一个传统的水力学问题，逐渐成为城市河道或渠道行洪排涝关注的热点。单座桥梁引起的壅水范围及高度往往有限，但密集布置在城市河道或渠道上的桥群，极易产生累积效应，导致两岸水位壅高，削弱河道行洪或渠道输水能力，已经严重影响到城市涉河交通建设的进一步发展［1-2］。

关于桥墩壅水问题，常见的有经验公式、物理模型及数值模拟等研究方法。现阶段，物理模型虽能直观地模拟墩前壅水和河道流态，但成果推广受到经验性限制。经验公式方法虽简单便捷，但只能用以粗略求解桥前壅水值以及壅水影响范围。对于复杂的河道和桥梁问题，不同公式用在不同桥梁中计算偏差较大［3］。随着近代计算机技术的不断进步，水动力数值模型得到了广泛的应用。目前，对于单个桥墩壅水影响的研究较多，而对桥群引起的壅水影响研究较少［4-8］。袁玉等［9］利用HEC-RAS的桥梁壅水计算模型，以重庆市向阳水库国道复建工程中的两座桥梁为研究对象开展实例研究。任梅芳等［10］通过MIKE 21对海南南渡江桥群壅水影响进行研究，并对数值结果与实测值及经验公式值对比，认为数学模型能够较好地模拟复杂地形，得到更加合理的计算结果。王恒山［11］通过数学模拟方法研究了河南省漯河市城区跨沙河高密度桥梁河段的壅水影响问题，研究发现桥梁对其上游水位的影响与桥墩的形状、数量密切相关。吴时强等［1］通过数值模拟方法对南京市秦淮河桥梁群形成的叠加阻水效应进行研究，研究发现桥群阻水效应随桥梁座数增加而增大，随着桥群距离增大而减小。

本文以成都市输水渠道东风渠为例，建立上游电站水闸-金芙蓉大道典型段约4.5 km输水明渠二维水动力数学模型，以研究桥梁座数、桥梁间距、明渠流量对壅水的影响。

1研究区域概况

东风渠位于四川成都市，总干渠全长54.30 km，设计流量80 m³/s，河宽25～40 m，河底宽10～20 m，河底高程507～514 m。东风渠取水枢纽在进水枢纽闸（府河闸）左岸取水，其主要水源来源于岷江流域，流经成都市的郫县、新都、金牛、成华、龙泉等区县，对成都市经济社会和文化的繁荣做出了巨大贡献［12-13］。由于东风渠涉水建筑物较多，尤其以各种形式桥梁居多，这些桥梁建设增加了河道的阻水面积，造成渠道输水能力减弱，加之渠道淤积严重，现状过流流量仅15 m³/s，严重影响城市生活及农业灌溉需要。因此，为研究城市输水明渠桥群壅水影响，本文选取东风渠上游电站水闸-金芙蓉大道典型段开展桥群壅水影响研究。该典型渠段共有8座桥梁，依次包括100号桥、101号桥（云板桥）、102号桥（清夏桥）、桥98、桥97（S105省道）、103号桥、104号桥及105号桥（图 1）。其中，桥97（S105省道）桥墩设置在堤岸不涉水，其余7座桥梁均涉水，由于102号桥（清夏桥）桥墩位置调查信息丢失，因此研究渠段桥梁为6座。同时，涉水桥梁除桥98为4排布置的圆墩外，其余桥梁的桥墩布置形式及形状多为双排布置的方形墩。除桥98为半径05 m的圆墩外，其余桥梁的方墩尺寸均为05 m×0.5 m，具体研究渠段各涉水桥梁相关参数见表1。

2数学模型及计算条件

为定量研究东风渠桥群壅水影响，本文建立了东风渠电站水闸-金芙蓉大道典型段二维水动力数学模型，展开涉水桥群壅水影响模拟研究。

2.1数学模型

控制方程分为连续方程与动量方程［1，14］：

2.2计算条件选取

2.2.1计算范围及网格划分

考虑到东风渠干渠较长，且渠道两岸布置较多水闸、渡槽及桥梁等涉水建筑物，加之部分渠段河床淤积严重，导致整个河段水文及地形等因素复杂，为简化研究，选取东风渠上游电站水闸-金芙蓉大道典型段为本文模型范围，总长度约为4.5 km，见图2。计算网格选用边界拟合度较好的三角形非结构网格，见图3。网格划分整体网格尺度为2.0 m。同时，考虑到模拟渠段不同布置及形状桥墩存在，对桥墩附近网格进行3层局部加密，加密尺度从内到外分别为0.1，0.2，0.5 m，以更加精细地反映桥墩对其附近水流的影响。以6座涉水桥梁均存在的实际现状为例，模型网格划分个数为76 806个。

2.2.2计算边界及水位条件

模型边界条件采用上游为流量边界，下游为水位边界。渠道沿线桥梁较多，对现有桥墩采用不过水边界处理。同时，计算边界及水位条件采用现状条件与设计条件两种情况。其中，现状条件上游流量Q为15 m³/s，下游水位h为509.512 m；设计条件上游流量Q为80 m³/s，下游水位h为510.704 m，见表2。

2.3模型验证与率定

根据现状条件对模型进行验证与率定，采用邻近研究渠段桥梁处测量断面水位进行模型验证（部分桥梁位置与测量断面较远，则不采用该桥梁处水位进行验证）。根据相关研究［15］，东风渠底部及两侧采用混凝土浆砌板覆盖，故模型率定选用糙率n为0.008～0.016。经过率定，当糙率n为0.01时，模型计算得到的水位误差在±2.0 cm以内，可采用建立的数学模型进行桥墩壅水影响的二维水动力模拟计算（为便于研究，本文不考虑不同的流量与桥墩数量情况下，阻水情况差异引起的渠道整体糙率变化的影响），具体验证结果见表3。

3桥群壅水影响分析

3.1计算工况

河道或渠道连续布置多座桥梁时将引起上游壅水形成累积效应，桥墩的布置形式、个数及间距等均对壅水效应产生影响。因此，需要对桥梁座数、间距及流量进行设置，具体模拟工况见表4。

3.2桥梁座数

桥梁座数变化将不同程度影响河道产生壅水影响。本文分别考虑无桥梁（天然渠道）、桥梁座数为1，2，3，4，5，6时渠道沿程的壅水变化，以定量分析不同桥梁座数对渠道壅水累积影响。

如图4所示，在现状流量Q=15 m³/s情况：① 当单座桥梁105号桥存在时，整个渠道壅水沿程升高，并在105号桥附近形成最大壅水高度为5.8 cm。② 当桥梁105号桥与104号桥这两座桥存在时，整个渠道壅水沿程升高，并分别在105号桥与104号桥附近形成最大壅水高度为5.4 cm与9.5 cm。③ 当桥梁105号桥、104号桥及103号桥这3座桥存在时，整个渠道壅水沿程升高，并分别在105号桥、104号桥及103号桥附近形成最大壅水高度为4.9，8.7 cm及5.3 cm。④ 当桥梁105号桥、104号桥、103号桥及桥98这4座桥存在时，整个渠道壅水沿程升高，并分别在105号桥、104号桥、103号桥及桥98附近形成最大壅水高度为4.8，8.6，4.9 cm及3.8 cm。⑤ 当桥梁105号桥、104号桥、103号桥、桥98及101号桥这5座桥存在时，整个渠道壅水沿程升高，并分别在105号桥、104号桥、103号桥、桥98及101号桥附近形成最大壅水高度为4.8，8.5，4.9，3.7cm及1.0 cm。⑥ 当桥梁105号桥、104号桥、103号桥、桥98、101号桥及100号桥这6座桥存在时，整个渠道壅水沿程升高，并分别在105号桥、104号桥、103号桥、桥98、101号桥及100号桥附近形成最大壅水高度为4.8，8.4，4.8，3.6，1.0，1.1 cm。

可以看出，无论单座桥梁或多座桥梁存在，渠道沿程壅水并非光滑上升曲线，而是除在桥址处存在明显的壅跌水外，沿程均存在壅水起伏波动情况，这说明渠道地形或形态也对壅水产生一定影响，尤其从102号桥（清夏桥）处壅水现象可知，102号桥桥墩信息丢失，数学模型中均未在渠道中设置该桥，但在该桥处仍形成明显的壅水。通过检查地形发现，由于渠道淤积严重，在桥址断面两岸侧形成了高阻水的隘口，造成即使没有桥墩阻水，仅受地形影响就在桥址处产生了明显的壅水现象。同时，从上述分析可知，随着桥梁座数增加，下游桥梁对上游桥梁的壅水有增加效应，上游桥梁对下游桥梁的壅水影响有减小效应，尤其在两座桥梁距离较近、下游桥梁位于上游桥梁的跌水区时，下游桥梁的壅水高度将出现一定程度的减小，但桥梁座数的增加将使整个渠道平均壅水高度呈增加趋势。

如图 5所示，在设计流量Q=80  m³/s情况：① 当单座桥梁105号桥存在时，其并未与现状流量Q=15  m³/s情况呈现的壅水现象相同，其在105号桥处壅水值为4.1 cm，出现比现状流量情况壅水值5.8 cm小的情况，但在桥98与103号桥之间出现3处壅水峰值，且壅水值大于5.8 cm。从地形来看，虽然桥98与103号桥不存在，但在该渠段两岸侧存在局部较高高程区域，在较大流量情况下，阻水效应增加，产生类似桥墩阻水的壅水效应。② 当桥梁105号桥与104号桥两座桥存在时，桥址处壅水分别为4.1 cm与11.4 cm，同时在桥98与103号桥之间出现3个壅水峰值。③ 当桥梁105号桥、104号桥及103号桥3座桥存在时，桥址处壅水分别为32，10.4 cm及12.5 cm。可以看出上游桥梁增加将减小下游桥梁壅水，而下游桥梁存在将增加上游桥梁壅水。在桥98与103号桥之间出现3个壅水峰值。④ 当桥梁105号桥、104号桥、103号桥及桥98存在时，分别在105号桥、104号桥、103号桥及桥98附近形成最大壅水高度为2.8，9.8，11.7 cm及11.7 cm，102号桥与103号桥之间出现多个壅水峰值，且在102号桥之前产生明显的渠道整体壅水抬高情况。⑤ 当5座桥与6座桥存在时均出现类似现象。同时，可以看出桥梁座数的增加将对渠道平均壅水影响起到增加效应，且大流量情况时，渠道地形的影响将起到更加明显的作用，也说明东风渠渠道淤积对输水的影响是不可忽略的因素之一。

3.3桥梁距离

本文以两座桥梁不同距离为例，通过固定下游105号桥，依次向上游增加单个桥梁，以分析桥梁距离对壅水的影响。如图6与图7所示，现状流量Q为15 m³/s时，两桥距离为353，918，1581，2 438 m及3 416 m时，上游桥梁壅水分别为5.0，18，1.0，0.2，0.5 cm。對于设计流量Q为80 m³/s时，两桥距离为353，918，1581，2438 m及3416 m时，上游桥梁壅水分别为6.5，4.7，4.2，1.0，1.8 cm。首先，可以看出，壅水随着桥梁距离增大呈减小趋势，尤其当距离大于2 000 m后，壅水基本保持在1 cm左右。同时，随着流量的增大，两桥之间的壅水影响增加明显。

3.4影响因子响应关系分析

为了明晰壅水高度与桥梁座数、桥梁距离及明渠流量之间的响应关系，对不同流量情况下壅水与桥梁座数、距离函数关系进行拟合分析。如图8所示，随着桥梁座数增加，研究渠道平均壅水高度呈增加趋势，其平均壅水高度与桥梁座数之间呈对数响应关系。同时，当流量增加，壅水效应增加明显。如图9所示，随着桥梁距离增加，上游桥梁处壅水高度呈减小趋势，其平均壅水高度与桥梁个数之间呈对数响应关系。同时，当流量增加，壅水效应增加明显。

4结论

本文通过建立二维水动力模型，采用实测资料与数值模拟方法研究了成都市东风渠典型渠段桥梁壅水影响，对不同桥梁个数与不同桥梁距离情况下渠道壅水影响进行模拟研究，研究成果可为桥梁壅水研究提供参考，研究结论如下：

（1） 桥梁座数增加将增大上游桥梁处壅水，对下游桥梁处壅水影响有减小效应，但桥梁座数增加将使得整个渠道的平均壅水高度增加。不同设计流量情况下，当桥梁座数从1座增加到6座时，其平均壅水高度增加幅度达26.7%～48.2%。同时，桥梁座数与渠道平均壅水高度之间符合对数函数关系。

（2） 随着桥梁间距离增加，其壅水也逐渐减小。以两座桥为例，当距离大于2 000 m后，壅水基本保持在1 cm左右。同时，桥梁距离与渠道壅水高度之间也符合对数函数关系。

（3） 随着流量增大，渠道不同桥梁处壅水明显增大，且随着流量增大，地形在壅水影响中起到不可忽略的影响。对于东风渠工程中，不仅桥梁存在对渠道壅水产生一定影响，渠道淤积也将对壅水产生较大影响，因此，建议着重考虑渠道清淤处理，以增加渠道输水能力及减小漫堤风险。对于国内沿江城市，大量桥梁的建设将对城市防洪产生一定影响，定期的河道清淤将对航道及防洪产生有利影响。

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（编辑：江文）

Numerical simulation analysis of influence of bridge group on backwater in open channel

YAN Jiechao

（POWERCHINA Jiangsu Engineering Corporation Limited ，Nanjing 211100，China）

Abstract：In order to solve the problem of the backwater effect caused by urban open channel bridge group，taking Dongfeng Channel as an example，a two-dimensional hydrodynamic mathematical model of Dongfeng Channel bridge group was established，and the effects of the number of bridges，distance and discharge on the backwater effect of bridge group were analyzed.The results showed that the effect of bridge backwater was closely related to the number，distance and discharge of bridges，With the increase of the number of bridges upstream，the upstream backwater height increased correspondingly.With the increase of the distance between bridges，the height of backwater in the upper reaches of open channel decreased accordingly.The height of backwater increased with the increase of design flow.Based on the analysis of the relationship between the number of bridges，the distance of bridges and the change of flow on the effect of bridge group backwater，it was concluded that the average backwater height increased with the increase of bridge number，but decreased with the increase of bridge distance.At the same time，the backwater effect increased obviously when the discharge increases.

Key words：open channel； bridge group； backwater； hydrodynamic mathematical model； Dongfeng channel