淺談橋梁墩臺對河道防洪影響的分析計(jì)算

肇慶市水務(wù)技術(shù)中心 526040

摘要：橋梁是公路交通建設(shè)的重要組成部分。橋梁橫跨河流、侵占河道行洪面積、壅高水位、改變局部流態(tài)，對沿河兩岸堤防造成影響。按照河道管理范圍內(nèi)建設(shè)項(xiàng)目管理的相關(guān)規(guī)定，橋梁在建設(shè)時，需進(jìn)行防洪影響評價，而對橋梁壅高水位及引起的沖淤變化計(jì)算是防洪影響評價計(jì)算的一項(xiàng)重要內(nèi)容。為此結(jié)合肇慶市廣寧縣金場綏江大橋工程，利用有限元法，對橋梁建成后河流的局部水位壅高和流態(tài)變化進(jìn)行分析評價。

關(guān)鍵詞：防洪評價；平面二維計(jì)算；橋梁；數(shù)學(xué)模型。

1二維數(shù)學(xué)模型及計(jì)算內(nèi)容

天然河道一般邊界曲折、地形復(fù)雜，對于復(fù)雜河段的水流運(yùn)動數(shù)值模擬，多采用基于曲線網(wǎng)格的坐標(biāo)變換方法，其中正交曲線變換和一般（非正交）曲線變換方法是兩種最常用的方法。本研究采用一般曲線坐標(biāo)變換方法。一般曲線變換不受計(jì)算網(wǎng)格必須嚴(yán)格保證正交的限制，網(wǎng)格生成也較靈活。

1.1 模型計(jì)算的基本原理

經(jīng)一般曲線變換后的平面二維水流模型控制方程為：

水流連續(xù)方程： （4-1）

河道主流方向運(yùn)動方程：

（4-2）

垂直主流方向（河寬方向）水流運(yùn)動方程：

（4-3）

其中：H 為水深（m）；u 和 v 為x 和 y 方向的流速（m/s），M=uh，N=vh；為水位（m）；n 為曼寧糙率系數(shù)；為紊動粘性系數(shù)；、為曲線坐標(biāo)中流速在和方向的分量為，，；為雅克比數(shù)，；；；；；；；；、、、表示偏導(dǎo)數(shù)，如。

1.2 模型方程離散

上述控制方程可表達(dá)成統(tǒng)一的對流擴(kuò)散方程形式：

（4-4）

模型計(jì)算物理量采用同位（非交錯）網(wǎng)格布置，即計(jì)算物理量布置在控制體中心點(diǎn)P上。采用控制體積法，將控制方程對所示的控制體積沿時間和空間進(jìn)行積分，可得出控制方程的通用離散形式：

（4-5）

其中：；；

；；

；；

式中，=，帶上標(biāo)0的量表示上一時間層的值。為網(wǎng)格Peclet數(shù)，、、和表示控制體積表面的對流系數(shù)，、、和表示控制體積表面的擴(kuò)散系數(shù)，其表達(dá)式分別為：

；；；；

；；；

； =

求解過程中，為避免水位波動，控制體交界面上的流速采用動量插值處理；為避免計(jì)算迭代過程中出現(xiàn)溢出，采用了Patankar 和Spalding 提出的欠松弛技術(shù)，即在離散方程式中引入欠松弛因子，以改善離散方程式中系數(shù)的對角占優(yōu)程度。

1.3 計(jì)算邊界條件

平面二維水流模型中，邊界條件通常包括河道進(jìn)出口邊界、岸邊界及動邊界處理等。本模型中：

1）進(jìn)口邊界：根據(jù)已知進(jìn)口全斷面流量，給定入流單寬流量沿斷面的橫向分布。

2）出口邊界：給定出口斷面的水位。

3）岸邊界：岸邊界為非滑移邊界，給定其流速為零。

4）動邊界：本模型采用“凍結(jié)”法進(jìn)行動邊界處理，即根據(jù)水位結(jié)點(diǎn)處河底高程來判斷該網(wǎng)格單元是否露出水面，若不露出，糙率取正常值，反之，糙率取一個接近于無窮大的正數(shù)。同時為了不影響水流控制方程的求解，在露出水面的結(jié)點(diǎn)處需給定一個薄水層，一般給定其厚度為0.5cm。

1.4 計(jì)算過程

基于上述基本方程、求解方法和計(jì)算網(wǎng)格，即可進(jìn)行程序的編寫和調(diào)試，建立二維數(shù)學(xué)模型。在給定邊界和初始條件下，進(jìn)行數(shù)值模型實(shí)驗(yàn)，模型參數(shù)通過率定和驗(yàn)證后，即可進(jìn)行相關(guān)計(jì)算。

1.5 橋墩概化

目前對樁墩的模擬主要有兩種模式：局部阻力修正法和直接模擬法。本報告采用的是局部阻力修正法，計(jì)算時將橋墩、承臺及防撞柱均按實(shí)體不透水處理，這樣考慮的計(jì)算結(jié)果是偏安全的。

2實(shí)例計(jì)算

2.1研究范圍及網(wǎng)格布置

考慮到實(shí)測地形資料和本河段工程的影響范圍，模型上邊界取自工程上游430m處，下邊界取至工程下游430m處，總模擬長度860m。

本模型采用非結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格，在研究范圍內(nèi)共布設(shè)了4178個三角形計(jì)算單元，網(wǎng)格尺寸在1～30m之間，橋墩局部區(qū)域網(wǎng)格加密處理（最小網(wǎng)格邊長1m）。

2.2工程計(jì)算水文條件

金場綏江大橋位于金場水出口上游500m的位置，距離下游東鄉(xiāng)水電站約4.69km，根據(jù)東鄉(xiāng)水電站的出流特性和本河段的水面比降關(guān)系，模型上游進(jìn)口流量直接取用東鄉(xiāng)電站的出流量減去金場水的流量，模型下游出口水位取東鄉(xiāng)水電站水位上延至本工程下游430m邊界處的水位值。

防洪評價計(jì)算主要包括對河道水位、流速、流態(tài)等幾方面，根據(jù)評價項(xiàng)目，選擇以下水文條件進(jìn)行計(jì)算：金場綏江大橋20年一遇工況

2.3計(jì)算結(jié)果分析

2.3.1 壅水分析

工程后流速差等值線見圖1。在二十年一遇水文條件下，受橋墩阻水影響，金場綏江大橋?qū)ι嫌魏樗蛔畲筇Ц咧捣謩e為0.06m，水位壅高值大于0.01m的最大影響范圍為擬建大橋上游120m左右，橋址下游水位有所減小，最大減小距離橋址下游90m左右。

綜上所述，工程對河道防洪（潮）水位的影響很小。

圖1 20年一遇下工程前后水位變化圖（紅色：增加，綠色：減?。?/p>

2.3.1 流速分析

工程后，流速一般變化規(guī)律為“橋墩之間有所增加，橋墩于河岸之間略微增加，橋墩附近局部區(qū)域和上下游有所減小”。20年一遇來水條件下，橋墩間河道主槽最大流速由工程前的2.02 m/s變?yōu)楣こ毯蟮?.37m/s，增加值為0.35m/s。

由此可見，金場綏江大橋工程建設(shè)后，綏江河整體流態(tài)平順，流速變化區(qū)域主要局限在橋址附近，影響范圍及幅度均不太大，擬建工程對所在河道整體流速、流態(tài)影響不大。

圖2 20年一遇下工程前后流速變化圖

3 結(jié)論

（1）本文簡歷了平面二維水流書序模型，計(jì)算范圍內(nèi)采用不同節(jié)點(diǎn)的不規(guī)則四邊形網(wǎng)格離散計(jì)算區(qū)域，計(jì)算方法先進(jìn)、可靠。

（2）本報告采用的是樁群阻力公式法，對樁群所在網(wǎng)格的糙率進(jìn)行修正并相應(yīng)抬高網(wǎng)格高程，將樁群作為過水區(qū)域處理

（3）通過模型計(jì)算得出建橋后水位壅高及流速變化值，并對其進(jìn)行分析和評價。計(jì)算結(jié)果表明金場綏江大橋的建設(shè)對河道水位壅高及河床沖刷有一定影響，但其水位壅高及沖刷影響有限，對河道行洪能力影響較小。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉培斌等.河流工程問題數(shù)值模擬理論與實(shí)踐【M】.鄭州黃河水利出版社.1999

[2]張滌明等.計(jì)算流體力學(xué).【M】.廣州.中山大學(xué)出版社.1991

作者簡介：

陸琦（1983年～），女，水文與水資源工程師，2007年至2015年6月在廣東省肇慶市水利水電勘測設(shè)計(jì)院從事水利水電設(shè)計(jì)工作；2015年7月在肇慶市水務(wù)技術(shù)中心從事審查工作