任錦亮 呂 軍 張 健

(鹽城市水利勘測設計研究院，江蘇 鹽城 224000)

鹽城市南環(huán)路通榆河大橋位于江蘇省鹽城市亭湖區(qū)，橋梁跨通榆河而設，位于現(xiàn)有通榆河大橋兩側。由于跨河涉水橋在河道內(nèi)設墩柱阻水，對通榆河河道行洪排澇有一定影響。根據(jù)《中華人民共和國水法》《中華人民共和國防洪法》和國家計委、水利部發(fā)布的《河道管理范圍內(nèi)建設項目管理的有關規(guī)定》(水政〔1992〕7號文)要求，該工程需進行防洪評價。

在橋梁防洪評價報告編制過程中，壅水分析計算是一項重要內(nèi)容。目前，橋梁壅水的計算方法很多，主要有經(jīng)驗公式法、數(shù)學模型計算法和物理模型試驗法。由于數(shù)學模型能夠較好地模擬復雜地形，因此被廣泛應用于橋梁壅水問題的數(shù)值模擬計算中。MIKE 21模型是較為成熟的平面二維數(shù)學模型。本文以鹽城市南環(huán)路通榆河大橋工程橋區(qū)通榆河河段為例，運用MIKE 21軟件進行建橋前后水位變化情況的數(shù)值模擬，并將計算結果與《公路橋位勘測設計規(guī)范》(JTJ 062—1991)、《鐵路橋梁檢定規(guī)范》中推薦的經(jīng)驗公式的計算結果進行比較分析。

1 研究區(qū)域概況

1.1 河流概況

通榆河是里下河地區(qū)南北向骨干河道，向里下河地區(qū)及渠北濱海、阜寧、響水地區(qū)供水，并具有排澇、航運等功能。河道自東臺至響水177.7km，屬于三級航道，其中東臺至廢黃河南段河道引水能力為100m3/s，河道底寬50.00m，河道底高程為-4.21m(85高程基準，下同)；廢黃河北至響水段河道引水能力為50m3/s，形成三級航道，河道底寬50.00m，河道底高程為-1.21m。

1.2 工程概況

南環(huán)路是鹽城市城市快速路網(wǎng)工程“一環(huán)五射”中“一環(huán)”的一部分，南環(huán)路全長12.6km?，F(xiàn)有南環(huán)路跨通榆河大橋上部結構為(50+80+50)m三跨預應力混凝土變截面雙箱雙室連續(xù)箱梁，梁高1.50～4.65m，下部結構采用鋼筋混凝土矩形實體式橋墩，鉆孔灌注樁基礎，橋墩平面尺寸為3.00m(垂直水流方向)×10.50m(順水流方向)。承臺厚度為3.00m，承臺頂高程為2.80m，底高程為-0.20m，平面尺寸為10.00m(垂直水流方向)×13.75m(順水流方向)。橋梁與通榆河垂直相交。

新建南環(huán)路跨通榆河主線橋位于現(xiàn)有通榆河大橋兩側，其中跨通榆河主橋上部結構采用懸臂澆筑預應力混凝土連續(xù)箱梁，跨徑組成為(50+80+50)m，箱梁斷面采用單箱單室直腹板形式，橋梁橫坡由腹板變高度形成，梁中心高度為2.30～4.60m。主墩采用薄壁空心墩，鉆孔灌注樁基礎，墩柱斷面尺寸為3.50m(垂直水流方向)×6.25m(順水流方向)。承臺厚度為3.50m，平面尺寸為10.00m(垂直水流方向)×11.50m(順水流方向)，承臺頂高程為-1.30m，底高程為-4.80m。

2 模型設計

2.1 模型原理

MIKE 21水動力模型系統(tǒng)是在Boussinesq假定和流體靜壓假定的二維/三維不可壓縮雷諾時均N-S方程的數(shù)值解基礎上，由連續(xù)性方程、動量方程、溫度方程、鹽度方程和密度方程組成，并通過一個湍流解決方案將方程組閉合。對于水平尺度遠大于垂直尺度的情況，由于水深、流速等水力參數(shù)沿垂直方向的變化比沿水平方向的變化要小得多，因此，將三維流動的控制方程沿水深積分，并取水深平均值，可得到沿水深平均的二維淺水流動質(zhì)量和動量守恒控制方程組。下面的控制方程均在笛卡兒坐標系(平面直角坐標系)下給出。連續(xù)性方程為

(1)

X方向動量方程和Y方向動量方程分別為

(2)

(3)

2.2 計算范圍

數(shù)學模型計算范圍應能充分涵蓋工程可能要影響的范圍及模型邊界穩(wěn)定所需的范圍。綜合考慮水文資料、地形及工程研究內(nèi)容等因素，選取南環(huán)路跨通榆河大橋上下游各1.2km河段為計算范圍。

現(xiàn)狀河道斷面為2015年7月實測斷面，測量間距為100.00m，橋址處加密測量。通榆河設計斷面標準為：河道底寬50.00m，河底高程為-4.21m，邊坡1∶3(橋址上游600.00m至下游900.00m范圍內(nèi)為1∶4)，青坎高程為2.29m，青坎寬度為15.00m，堤頂高程為3.79m，堤防邊坡1∶2.5。

本次模型采用無結構三角形和四邊形混合網(wǎng)格剖分,見圖1。在建模過程中，將概化處橋墩形狀引入模型中，按不過水處理，橋墩周邊模型網(wǎng)格自動加密。模型計算網(wǎng)格數(shù)為11185個，節(jié)點數(shù)為5931個。

圖1 水力計算網(wǎng)格剖分

2.3 模型參數(shù)

因為河道狹長，不考慮風力的作用。河道糙率根據(jù)率定并參照一定的經(jīng)驗進行取值，橋址上游為自然河坡，青坎以下取0.0225；橋址下游有混凝土護坡，青坎以下糙率取0.0180；青坎以上糙率取0.0300。

2.4 邊界條件

模型采用河道設計標準進行計算，上游流量Q=226m3/s，下游20年一遇防洪水位Z=2.425m。支河口潮中河閘站流量為12m3/s。

2.5 橋墩模擬

南環(huán)路跨通榆河大橋左右兩岸共有8個承臺和8個橋墩，老橋4個承臺平面尺寸為10.00m(垂直水流方向)×13.75m(順水流方向)，橋墩平面尺寸為3.00m(垂直水流方向)×10.50m(順水流方向)；新橋4個承臺平面尺寸為10.00m(垂直水流方向)×11.50m(順水流方向)，橋墩平面尺寸為3.50m(垂直水流方向)×6.25m(順水流方向)。橋墩模擬三角形邊長尺寸為1.00～2.00m，與實際橋墩外形輪廓相吻合。

2.6 檢測點布置

為比較建橋前后壅水情況，需在河道中間設置檢測點。建橋后橋墩阻水，橋墩處水位變化較大，因此水位檢測點放在橋墩處；同時橋墩遠離河道中泓，流速較小，因此流速檢測點放置在流速較大的河道中央。本次模型共設置了30個檢測點，水位點與流速點在水流方向位置一致。檢測點示意圖見圖2。

圖2 檢測點示意圖(單位：m)

2.7 模型準確性分析

由于模型范圍較小，無法提供上下游精確的水位流量進行驗證，因此采用水力學計算方法對模型的準確性進行評估。

2.7.1 模型計算與曼寧公式對比

為了評估模型計算的準確性，在相同條件下采用水力學曼寧公式進行對比分析。將設計斷面放入模型中，糙率取0.0225，用模型算得20年一遇河道流量為170.0m3/s，而用同樣的水力要素代入曼寧公式，算得河道流量為169.5m3/s；用模型算得供水工況河道流量為99.0m3/s，而用同樣的水力要素代入曼寧公式，算得河道流量為100.0m3/s。模型計算結果與水力學公式計算基本吻合，因此模型流量計算基本正確。

2.7.2 實測斷面與設計斷面對比

根據(jù)實測河道斷面，目前橋址上下游通榆河斷面河底高程一般為-6.00m，較設計底高程-4.21m相差較大。因此將實測斷面與設計斷面分別放入模型中進行計算，算得實測斷面河道過流能力為227m3/s，規(guī)劃斷面河道過流能力為226m3/s，兩者相差并不大。經(jīng)對比分析，現(xiàn)狀橋址上下游斷面在防洪水位2.44m時平均過水面積為515m2，而設計斷面為513m2，兩者基本相同。為方便計算，在本次模型的計算中用設計斷面代替現(xiàn)狀實測斷面。建橋前后河道模型概化圖見圖3。

圖3 河道模型概化圖(單位：m)

2.8 壅水計算

由建橋前后檢測點水位變化情況(見表1)可以看出，建橋后橋位上游產(chǎn)生壅水，橋位下游產(chǎn)生跌水。橋前最大壅水高度為0.0062m，壅水長度約1000m。建橋前后水位線、水位差對比情況見圖4、圖5。

表1 大橋所在河段建橋前后檢測點水位變化情況

續(xù)表

圖4 20年一遇建橋前后水位線對比情況

圖5 20年一遇建橋前后水位差對比情況(單位：m)

3 規(guī)范經(jīng)驗公式計算

工程中常采用經(jīng)驗公式法進行壅水計算，具有參數(shù)少、形式簡單、便于應用等優(yōu)點。但橋前壅水高度受河道比降、過水斷面尺寸、河床質(zhì)組成、橋墩形狀和布置形式等多種因素的影響，目前還沒有被廣泛接受的經(jīng)驗計算公式。本文采用《公路橋位勘測設計規(guī)范》(JTJ 062—1991)和《鐵路橋梁檢定規(guī)范》推薦的經(jīng)驗公式分別進行橋梁壅水計算。

3.1 經(jīng)驗公式1

根據(jù)《鐵路橋梁檢定規(guī)范》，橋前最大壅水高度可按下式計算：

(4)

根據(jù)《鐵路橋梁檢定規(guī)范》，壅水曲線全長可按下列近似公式估算：

(5)

式中：L為壅水曲線長度,m；ΔZ為橋前最大壅水高度,m；I為水面比降。

3.2 經(jīng)驗公式2

《公路橋位勘測設計規(guī)范》(JTJ 062—1991)對橋前最大壅水高度計算推薦了3種不同條件下的經(jīng)驗公式方法。自2015年《公路工程水文勘測設計規(guī)范》(JTG C30—2015)發(fā)布后，原《公路橋位勘測設計規(guī)范》1991版廢止，2002版作廢，因《公路工程水文勘測設計規(guī)范》(JTG C30—2015)中沒有壅水分析計算的相關內(nèi)容，故本處仍采用舊規(guī)范中壅水計算方法進行橋前最大壅水高度計算：

(6)

《公路工程水文勘測設計規(guī)范》(JTG C30—2015)提供的壅水曲線全長計算公式同《鐵路橋梁檢定規(guī)范》提供的公式(式(5))，這里不重復介紹。

3.3 計算結果

南環(huán)路通榆河大橋橋墩為方形墩柱、方形承臺，由于老通榆河大橋承臺位于地面線以上，按承臺進行計算，得到橋墩阻水情況見表2。按經(jīng)驗公式1和公式2分別計算橋前最大壅水高度及壅水曲線長度，結果見表3。經(jīng)公式1計算，橋前最大壅水高度為0.01234m，壅水曲線長度約2006.9m；經(jīng)公式2計算，橋前最大壅水高度為0.00630m，壅水曲線長度約1024.4m。

表2 橋墩阻水情況

表3 經(jīng)驗公式法計算結果

4 二維模型與經(jīng)驗公式計算結果對比分析

通過模型計算與兩種規(guī)范經(jīng)驗公式計算的壅水長度和壅水高度結果對比可以發(fā)現(xiàn)，《公路橋位勘測設計規(guī)范》公式2壅水計算值與模型計算值基本一致，而《鐵路橋梁檢定規(guī)范》公式1壅水計算結果明顯偏大。

兩種規(guī)范經(jīng)驗公式都具有形式簡單、易于計算的優(yōu)點?！惰F路橋梁檢定規(guī)范》推薦的公式1是在總結現(xiàn)有橋梁公式基礎上，通過實測資料驗證的最新公式，較《公路橋位勘測設計規(guī)范》推薦的公式2優(yōu)點在于考慮了橋梁壓縮程度和河床中沖刷影響的動能折減對橋前壅水的影響。且公式2參數(shù)取值的隨意性和不確定性較大，會造成壅水計算結果的不穩(wěn)定。然而在本次橋墩阻水面積比大于20%的情況下，公式2的計算值卻更接近二維模型的計算值。故不同經(jīng)驗公式研究背景與考慮因素各不相同，每種經(jīng)驗公式都具有一定的局限性，在本文研究工況條件下，公式2的精度要優(yōu)于公式1。

5 結 論

本文以擬建的南環(huán)路通榆河大橋為例，運用MIKE 21模型對建橋前后水位變化情況進行數(shù)值模擬，計算結果符合橋墩的阻水特點。通過對模型壅水計算結果與規(guī)范經(jīng)驗公式進行對比分析，本文研究工況條件下，采用《公路橋位勘測設計規(guī)范》經(jīng)驗公式壅水計算值與模型計算值基本一致，而《鐵路橋梁檢定規(guī)范》經(jīng)驗公式壅水計算結果明顯偏大。

橋梁壅水由于受諸多因素影響，很多因素難以準確求得，經(jīng)驗公式的參數(shù)值大多是根據(jù)實驗資料等方法近似確定，由于研究背景與考慮因素的不同，每種經(jīng)驗公式都具有一定的局限性。MIKE 21水動力數(shù)值模型能夠較好地模擬復雜地形，因此在區(qū)域水文、河道等資料滿足要求時，建議采用數(shù)學模型計算壅水值。在應用經(jīng)驗公式時應采用多種規(guī)范類公式相互驗證，以提高橋梁壅水計算的可靠性。