枫江大桥桥区航道通航条件数值模拟研究——以广东惠来为例.pdf

11mm17mm9mm标题4mm4mm署名 811mm17mm9mm标题4mm4mm署名 8枫江大桥桥区航道通航条件数值模拟研究以广东惠来为例 朱益民 李艳清 张壮壮 中交广州水运工程设计研究院有限公司 摘 要：为确保桥区水域船舶通航安全，对研究桥区水域水流条件是十分必要的。本文结合数值模拟手段，基于MIKE21水动力模块建立二维数学模型，定量分析不同工况、不同桥墩形式下，绕墩水流分布情况，分析影响船舶通航的碍航水流，通过不断试验直至将不利水流条件降至可控范围，最终得出合理的桥跨布置方案及桥墩结构形式。关键词：水流条件；桥区水域；MIKE21水动力模块；通航安全1.前言我国是世界上较早利用水运的国家之一。航道是水运的基础设施，发展水运首先要建设好航道。我国共有内河航道通航里程近13万公里，沿海航道通航里程8000多公里，这些航道承载的货运量和货物周转量分别约占社会总量的11%和47%。然而，有关普查数据显示，全国航道上的跨河建筑物共4186座，桥梁建设连通了两岸经济、文化交流，促进了社会发展进步，但同时水上安全事故频发趋势明显，一个很重要的因素就是桥跨布置及桥墩形式不合理导致绕墩水流流态造成船舶难以改变航向，导致船舶操纵性变差。由于跨河桥梁一旦建成，再要拆除或改建代价巨大。航道通航条件影响评价审核管理办法 明确提出需分析工程对水流、潮流的影响，包括对局部水域流速、流向、流态、纳潮量、波浪、水位、潮位、比降变化等影响。因此为了深入研究桥梁建设对水流流态的影响，本文结合数值模拟手段，基于MIKE21水动力模块建立二维数学模型1-3，定量分析不同工况、不同桥墩形式下，绕墩水流分布情况，分析影响船舶通航的碍航水流，通过不断试验直至将不利水流条件降至可控范围，最终得出合理的桥跨布置方案及桥墩结构形式。在今后的类似工程通航条件分析中，提供经验支持。2.项目背景及方法介绍2.1项目背景国道G206线揭阳新亨至地都段改建工程，起点位于揭东区新亨镇狮岗村，与国道G206和省道S255相接，途经揭东区埔田镇、锡场镇、揭东开发区、云路镇、玉滘镇，榕城区砲台镇，于地都镇凤鸣村处接回现有国道G206，路线全长约40.186km。项目采用一级公路标准建设，设计速度80km/h（终点立交主线采用60km/h），双向六车道，路基标准断面宽33m。项目跨越枫江（规划内河级航道），建设一座枫江大桥。2.2建立二维潮流数学模型2.2.1基本方程平面二维水流方程：连续方程 （1）动量方程 （2）（3）以上各式中U，V分别为垂线平均流速在x、y方向上的分量；Zs、H分别为水位和水深；g为重力加速度；v为水流紊动粘性系数；为水的密度；C为谢才系数，常用曼宁公式计算：C=H1/6/n；x、y分别为底部切应力在x和y方向上的分量：/2。2.2.2有限元方程将整个计算域剖分成一个三角形网格系统。每个三角形为一个单元，其编号为e，e=1，2，3，NE，NE为单元总数。单元三个顶点为节点，其局部编号为j=1，2，3（以逆时针为序）。节点的整体编号为i，i=1，2，3，NP，NP为节点总数。节点的整体编号与局部编号计算前规定好。引入插值函数：f=fi(t)i(x,y)，为形函数。对方程（1）（3）中的变量用插值函数近似表示，并使用伽辽金法对方程进行整理变形，得到如下有限元方程：（4）（5）（6）106学术ACADEMIC11mm17mm9mm标题4mm4mm署名 811mm17mm9mm标题4mm4mm署名 82.2.3计算方法对上述方程的求解，可以采用R-K法、线性多步法、Euler法等，本模型采用R-K法进行计算，以时间步长为迭代参数进行迭代，直到得到恒定的流场。2.2.4研究范围及网格布置二 维 水 流 数学 模 型 的 研 究 范围：研 究 区 域 上 边界 在 工 程 上游约2.08km，下边界在工程下游约2.28km，计算区域控制面积约为1.61km2。网格布置的原则：一般工程处及河道地形变化较大的地方网格较密较小，其它地方则网格较稀疏较大。根据这个原则，二维模型研究范围内共布置有94038个三角形网格，工程附近网格布置见图1。2.2.5边界条件及计算步长上游进口断面采用流量过程线QQ(t)，结合实测资料相关分析或产汇流计算得出；下游出口断面采用潮位过程线ZZ(t)，实测资料或相关分析计算。模型计算的初始水位根据下游水位按研究范围内的河道比降插值得出，初始流速为0；由于计算网格较小，经分析，计算时间步长取为0.5s。2.2.6动边界处理技术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（干网格），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（湿网格）。2.2.7建模地形资料二维模型河道地形资料主要采用2022年4月实测的水下地形资料。2.2.8计算水文组合二维模型计算主要采用20年一遇洪水落潮、多年平均流量中水落潮、多年平均枯水期流量枯水落潮、多年平均枯水期流量枯水涨潮这几种典型水文组合。2.2.9桩墩概化结构物的桩墩的阻水面积采用扣除办法，绕流阻力采用南京水利科学研究院的桩群阻力公式进行概化。2.3模型验证本模型验证水文条件选取2022年4月29日的实测水位、流速资料。该组合共布置有3个流速点，3个水位点，验证误差见表1。由表1可见，模型计算代表站最高水位及最低水位与实测值之间的误差较小，计算控制站各水位值与实测值之间的误差均小于0.10m，误差百分比小于10%；代表站最大流速值及最小流速与实测值之间的误差均较小，计算控制站各流速值与实测值之间的误差均小于0.10m/s，误差百分比小于10%。从表1可知，模型验证成果误差符合有关技术规程规定的精度要求。经验证，所建模型可用于工程计算。3.结果与分析3.1流速变化3.1.1工程前流速情况在20年一遇洪水落潮状态下，桥区河段流速为0.60m/s1.77m/s，最大流速1.77m/s出现在31#采样点（通航孔上游约21m主航槽内）；多年平均流量中水落潮状态下，桥区河段流速为0.38m/s1.00m/s，最大流速1.00m/s出现在31#采样点；多年平均枯水期流量枯水落潮状态下，桥区河段流速为0.15m/s0.41m/s，最大流速0.41m/s出现在27#采样点（距通航孔左墩35m通航孔内）；多年平均枯水期流量枯水涨潮状态下，桥区河段流速为0.15m/s0.41m/s，最大流速0.41m/s出现在18#采样点（距通航孔右墩约35m通航孔内）。3.1.2工程后流速变化情况在20年一遇洪水落潮状态下，桥区河段流速为0.56m/s1.90m/s，最大流速1.90m/s出现31#采样点（桥轴线上游约21m主航槽内）；多年平均流量中水落潮状态下，桥区河段流速为0.32m/s1.11m/s，最大流速1.11m/s出现在31#采样点；多年平均枯水期流量枯水落潮状态下，桥区河段流速为0.12m/s0.46m/s，最大流速0.46m/s出现在27#采样点；多年平图1 工程局部网格布置图珠江水运 2023 1610711mm17mm9mm标题4mm4mm署名 811mm17mm9mm标题4mm4mm署名 8均枯水期流量枯水涨潮状态下，桥区河段流速为0.11m/s0.46m/s，最大流速0.46m/s亦出现在18#采样点。3.2流向变化除墩头附近由于桥墩的阻水作用，流向有一定的改变，通航孔内的水流流向变化范围在3左右。3.3横向流速变化3.3.1工程前横向流速变化情况在20年一遇洪水落潮状态下，桥区河段横向流速为0m/s0.13m/s，最大横向流速0.13m/s出现在13#采样点（通航孔右墩下游约130m主航槽右边线）；多年平均流量中水落潮状态下，桥区河段横向流速为0m/s0.07m/s，最大横向流速0.07m/s出现在44#采样点（通航孔左墩下游约130m主航槽左边线）；多年平均枯水期流量枯水落潮状态下，桥区河段横向流速为0m/s0.04m/s，最大横向流速0.04m/s出现在40#采样点（通航孔下游约98m主航槽内）；多年平均枯水期流量枯水涨潮状态下，桥区河段横向流速为0m/s0.04m/s，最大横向流速0.04m/s出现在40#采样点。3.3.2工程后横向流速变化情况在20年一遇洪水落潮状态下，桥区河段横向流速为0m/s0.18m/s，最大横向流速0.19m/s出现在28#采样点（距通航孔左墩7m通航孔内）；最高水位最低水位水位点原型计算误差百分比原型计算误差百分比Z10.820 0.840 0.020 2.44%0.070 0.071 0.001 1.43%Z20.820 0.833 0.013 1.59%0.070 0.068-0.002-2.86%Z30.820 0.817-0.003-0.37%0.070 0.067-0.003-4.29%最大流速最小流速流速点原型计算误差百分比原型计算误差百分比V10.38 0.39 0.01 2.63%-0.44-0.43 0.01-2.05%V20.39 0.40 0.01 2.56%-0.46-0.46 0.00 0.43%V30.38 0.38-0.01-1.32%-0.45-0.45 0.00-0.67%表1 二维模型验证误差统计 （单位：水位为m，流速为m/s）参考文献：1胡旭跃,张晓峰,沈小雄,等.肇庆西江大桥复线工程桥区航道水流条件分析研究J.长沙交通学院学报,2003.2刘臣,杨宗默.海南环岛游公路昌化江大桥通航水流条件分析J.中国水运:下半月,2020(10):3.3陈明栋,文岑,杨胜发.苏通长江公路大桥河段通航水流条件数值模拟J.水动力学研究与进展：A辑,2005(z1):7.多年平均流量中水落潮状态下，桥区河段横向流速为0m/s0.10m/s，最大横向流速0.10m/s出现在24#采样点（距通航孔左墩7m通航孔内）；多年平均枯水期流量枯水落潮状态下，桥区河段横向流速为0m/s0.04m/s，最大横向流速0.04m/s出现在40#采样点；多年平均枯水期流量枯水涨潮状态下，桥区河段横向流速为0m/s0.04m/s，最大横向流速0.04m/s出现在40#采样点。3.4水位计算成果分析大桥建成后上游水位略有升高，在洪水条件下，水位最大升高值为0.08m，其它断面变化较小。3.5动力轴线分析动力轴线的变化集中在工程上游55m下游55m范围内，在此区域河道水流动力轴线向右岸轻微偏移，最大偏移距离为0.08m，在此范围外水流动力轴线无明显变化。4.结论（1）对比工程前后流速变化情况可以看出，桥区水域在拟建大桥建成后水流速度有增加，20年一遇洪水落潮情况下，最大流速值由1.77m/s变为1.90m/s，增加了0.13m/s；工程前最大横向流速为0.27m/s，工程后最大横向流速增大至0.34m/s，主要因为桥墩减少了过水断面的断面面积及阻水形成的紊流。（2）根据桥墩紊流宽度公式计算，通航孔紊流总宽为6m。通航净宽=通航孔跨径-桥墩总宽-紊流宽=120-6-6=108m计算要求单孔双向通航净宽100m。（3）建桥后桥区河段平面形态、深槽位置基本不会有较大的变化，滩槽格局稳定，对桥区河段通航条件的影响较小。建议桥墩采用流线型设计，以减小在通航孔形成的绕墩紊流，保障船舶通航安全。108学术ACADEMIC