基于二维平面水流数学模型的平原河道上跨改建桥梁流场影响分析

程正果

摘 要： 模型基于全方位不可压缩与雷诺数均匀分布的纳维斯托克斯方程，并服从于非线性布西尼斯克方程假定和静水压强的假定，通过对皖北平原河流上跨桥梁的河道二维水流数学模型研究，分析了平原河流在上跨桥梁改建后的流场变化，对比流速、流向变化，分析认为工程实施后，河道流速较小，减轻了洪水期现状河道的岸坡及主河槽的冲刷，受桥墩阻水作用影响，桥墩局部流场发生细微变化，但对河道流场的影响程度和影响范围较小，在较短河段内便可消除，工程对整个河道的流场影响较小。

关键词： Navier-Stokes方程 桥梁改建 平原河流 二维平面水流数学模型

中图分类号： U442.3+5文献标识码： A文章编号： 1679-3567（2024）06-0041-03

Analysis of the Effect of Reconstructing River-Crossing Bridges on the Flow Field in Plain Rivers Based on the Palar TwoDimensional Mathematical Model of Water Flow

CHENG Zhengguo

Anhui Modern Transportation Design and Research Institute， Hefei， Anhui Province， 230000 China

Abstract： The model is based on the Navier Stokes equation with omnidirectional incompressibility and uniformly-distributed Reynolds number， and is subject to the assumptions of the Boussinesq equation and hydrostatic pressure. This paper studies the two-dimensional mathematical model of water flow of rivers with rivercrossing bridges in plain rivers in Northern Anhui， analyzes flow field changes in plain rivers after the reconstruction of river-crossing bridges， and compares the changes in flow velocity and directions. The analysis shows that after the implementation of the project， the flow velocity of the river is relatively small， which reduces the erosion of the bank slope and main channel of the current river during the flood period， and that due to the water-blocking effect of bridge piers， the local flow field of the bridge piers changes slightly， which has the relatively small degree and scope of influence on the flow field of the river and can be eliminated in a shorter river section， and the project has a relatively small impact on the flow field of the entire river.

Key Words： Navier-Stokes equation； Bridge reconstruction； Plain river； Planar two-dimensional mathematical model of water flow

1 研究背景

拟研究河流位于皖北平原。拟建桥梁与跨越河道水流主流交角为90°，工程采用加大孔径等工程措施来满足通航要求[1]，主跨采用128 m简支钢桁梁，桁高为16 m，桁间距为12.3 m，建筑结构高度为2.0 m，净高按照7 m考虑。桥墩采用双线圆端型实体桥墩，桥台采用双线T型桥台，基础采用桩基础，简支梁桩基础桩径均采用1.0 m，128 m钢桁梁桩基础桩径采用1.25 m。

二维水流数学模型采用由DHI开发的非结构网格模型MIKE21来搭建[2]。二维水动力模型的控制方程是连续性方程和动量方程，也就是二维浅水方程。MIKE21模型可以选择基于笛卡尔坐标系或球面坐标系进行计算，MIKE21是一款适用于模拟带有自由表面的二维水流流动问题，特别适用于海洋、河口和海湾等研究领域通用的模型。采用基于非结构网格的有限体积法进行数值计算。它具有计算速度快和对复杂地形拟合较好的特点，并能够确保物质通量的守恒。该模型包括有水动力、波浪、泥沙和环境水质等多个模块。

2 模型建立与验证

2.1 计算方法

本文模型基于全方位不可压缩与雷诺数均匀分布的纳维斯托克斯方程，并服从于非线性布西尼斯克方程假定和静水压强的假定[3]。

2.2 参数设置

根据现场条件和地形测图概化，综合水文资料，以上下游5 km作为本研究的研究对象，上下游2 500 m分别作为本河段的进、出口断面，研究河段内已建的桥梁建筑物作为干边界考虑。

本研究河段内的河道与滩地，采用三角网格，桥墩附近使用5 m宽尺寸的网格。其余采用15 m宽的网格，如图1所示。

3 计算分析

3.1 计算边界条件

如表1所示，选用50年一遇防洪水位下，工程河段在工程前和工程后的流场、流速等对比[4]，分别进行水流计算与分析。设计洪水流量为2 900 m3/s，出口断面设计水位为31.05 m。

河道地形采用最新实测1∶2 000测图（大地2000坐标系，1985国家高程）。

3.2 计算结果

3.2.1 对河道水位的影响

为便于比较工程前后水位、流速变化情况，在现状以及拟建桥梁工程附近水域布设11个水流、流速分析测点，同时根据数值计算结果绘制工程前后水位及流速变化值的等值线图。

从表2可知，拟建工程修建后大桥局部阻水引起上下游局部水位有所壅高，最大壅高为 0.9 cm，为测点T6。水位雍高在0.2 cm 以内的范围在桥墩上游 35 m内的水域；桥墩下游局部水域水位有所降低，最大降低 0.8 cm，水位降低在 0.2 cm 以内的范围在桥墩下游20 m 内的水域。从影响规律上看，壅水影响仅仅在桥墩附近，且向桥墩上下游以及两岸岸侧递减，左右两个主桥墩是主要的阻水建筑物，靠近河道左岸的主桥墩阻水影响较大。总体来看，在所选取的洪水条件下，拟建桥梁工程对河道洪水位影响值和影响范围均较小。

3.2.2 对流速的影响

从表3中可以看到，工程对河道水流流场的影响主要表现为桥墩位置上下游流速减小，桥墩两侧流速有所增加。工程修建后，流速减小范围主要在桥墩上下游区域，流速最大减小了0.055 m/s，流速减小大于0.02 m/s的范围主要在桥墩上下游约120 m范围内的水域。拟建工程桥墩桥墩两侧流速有所增加，但是增加值较小，不超过0.024 m/s，流速增加大于0.02 m/s的范围在桥位两侧约35 m范围内。从近岸流速变化看，工程后左、右岸近岸流速有所增加，但增加值较小，不超过0.02 m/s。

综上所述，工程实施后，河道流速较小，减轻了洪水期现状河道的岸坡及主河槽的冲刷，受桥墩阻水作用影响，桥墩局部流场发生细微变化，但对河道流场的影响程度和影响范围较小，在较短河段内便可消除，工程对整个河道的流场影响较小。

3.2.3 对流态的影响

工程区域河道较顺直，主流偏靠河道右岸。从目前分析结果看，拟建大桥工程两个主桥墩占用的河道过水面积不大，束水作用有限，洪水期主流线与桥轴线法向之间的夹角不大，桥墩对流场的干扰较小[5]。计算结果表明：除桥墩附近区域水流主流线有所调整外（主流线略有左偏），其他区域水流主流线没有变化，流速分布形态没有变化，河道主流稳定，如图2所示。

4 流场变化分析总结

防洪设计洪水条件下工程后水位变化值及影响范围较小，拟建桥梁工程后水位最大壅高为0.009 m，水位最大降低值为0.008 m，雍水范围仅限桥墩附近，水位影响范围主要在桥墩上游35 m、下游20 m范围内。流速最大增加值为0.024 m/s，最大降低值为0.055 m/s，流速影响范围为桥墩上下游120 m及两侧35 m范围内。

由此可见本次工程对桥墩的布置是合理的，改建后的桥梁，占用河道面积减小，桥墩数量也减少，有利于河道的行洪，降低了河道断面流速，有利于河势稳定[6]。综上所述，工程实施后，河道流速较小，减轻了洪水期现状河道的岸坡及主河槽的冲刷，受桥墩阻水作用影响，桥墩局部流场发生细微变化，但对河道流场的影响程度和影响范围较小，在较短河段内便可消除，工程对整个河道的流场影响较小。

参考文献

[1]吴昊天.平原湖荡交叉区高铁桥梁通航影响分析[J].人民交通，2022，37（3）：66-68.

[2]陈军，吴程，李爽，等.灞河流域水环境数值模拟研究[J].西北农林科技大学学报（自然科学版），2022，50（9）：80-88.

[3]杨晓敏，白赟，张敏.基于MIKE21的弯道跨河桥梁影响评价分析[J].山东水利，2022（10）：10-12.

[4]苟文波.D型平板叶栅绕流及其受力特性研究[D].镇江：江苏大学，2020.

[5] ZOLGHADR M，HASHEMI M R，ZOMORODIAN S M A. ASsessment OF Mike21 Model In Dam And Dike-Break Simulation[J].Iranian Journal of Science and Technology， Transaction B：Engineering，2011，35：247-262.

[6]胡克龙，计勇，岑奕兴，等.基于MIKE21的信江八字嘴顺直分汊河道水动力特性及河床演变分析[J].人民珠江，2023，44（6）：83-90.