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浅谈桥梁墩台对河道防洪影响的分析计算

肇庆市水务技术中心 526040
摘要：桥梁是公路交通建设的重要组成部分。桥梁横跨河流、侵占河道行洪面积、壅高水位、改变局部流态，对沿河两岸堤防造成影响。按照河道管理范围内建设项目管理的相关规定，桥梁在建设时，需进行防洪影响评价，而对桥梁壅高水位及引起的冲淤变化计算是防洪影响评价计算的一项重要内容。为此结合肇庆市广宁县金场绥江大桥工程，利用有限元法，对桥梁建成后河流的局部水位壅高和流态变化进行分析评价。
关键词：防洪评价；平面二维计算；桥梁；数学模型。
1二维数学模型及计算内容
天然河道一般边界曲折、地形复杂，对于复杂河段的水流运动数值模拟，多采用基于曲线网格的坐标变换方法，其中正交曲线变换和一般（非正交）曲线变换方法是两种最常用的方法。本研究采用一般曲线坐标变换方法。一般曲线变换不受计算网格必须严格保证正交的限制，网格生成也较灵活。
1.1 模型计算的基本原理
经一般曲线变换后的平面二维水流模型控制方程为：
水流连续方程： （4-1）
河道主流方向运动方程：
（4-2）
垂直主流方向（河宽方向）水流运动方程：
（4-3）
其中：H 为水深（m）；u 和 v 为x 和 y 方向的流速（m/s），M=uh，N=vh；为水位（m）；n 为曼宁糙率系数；为紊动粘性系数；、为曲线坐标中流速在和方向的分量为，，；为雅克比数，；；；；；；；；、、、表示偏导数，如。
1.2 模型方程离散
上述控制方程可表达成统一的对流扩散方程形式：
（4-4）
模型计算物理量采用同位（非交错）网格布置，即计算物理量布置在控制体中心点P上。采用控制体积法，将控制方程对所示的控制体积沿时间和空间进行积分，可得出控制方程的通用离散形式：
（4-5）
其中：；；
；；
；；
式中，=，带上标0的量表示上一时间层的值。为网格Peclet数，、、和表示控制体积表面的对流系数，、、和表示控制体积表面的扩散系数，其表达式分别为：
；；；；
；；；
； =
求解过程中，为避免水位波动，控制体交界面上的流速采用动量插值处理；为避免計算迭代过程中出现溢出，采用了Patankar 和Spalding 提出的欠松弛技术，即在离散方程式中引入欠松弛因子，以改善离散方程式中系数的对角占优程度。
1.3 计算边界条件
平面二维水流模型中，边界条件通常包括河道进出口边界、岸边界及动边界处理等。本模型中：
1）进口边界：根据已知进口全断面流量，给定入流单宽流量沿断面的横向分布。
2）出口边界：给定出口断面的水位。
3）岸边界：岸边界为非滑移边界，给定其流速为零。
4）动边界：本模型采用“冻结”法进行动边界处理，即根据水位结点处河底高程来判断该网格单元是否露出水面，若不露出，糙率取正常值，反之，糙率取一个接近于无穷大的正数。同时为了不影响水流控制方程的求解，在露出水面的结点处需给定一个薄水层，一般给定其厚度为0.5cm。
1.4 计算过程
基于上述基本方程、求解方法和计算网格，即可进行程序的编写和调试，建立二维数学模型。在给定边界和初始条件下，进行数值模型实验，模型参数通过率定和验证后，即可进行相关计算。
1.5 桥墩概化
目前对桩墩的模拟主要有两种模式：局部阻力修正法和直接模拟法。本报告采用的是局部阻力修正法，计算时将桥墩、承台及防撞柱均按实体不透水处理，这样考虑的计算结果是偏安全的。
2实例计算
2.1研究范围及网格布置
考虑到实测地形资料和本河段工程的影响范围，模型上边界取自工程上游430m处，下边界取至工程下游430m处，总模拟长度860m。
本模型采用非结构三角形网格，在研究范围内共布设了4178个三角形计算单元，网格尺寸在1～30m之间，桥墩局部区域网格加密处理（最小网格边长1m）。
2.2工程计算水文条件
金场绥江大桥位于金场水出口上游500m的位置，距离下游东乡水电站约4.69km，根据东乡水电站的出流特性和本河段的水面比降关系，模型上游进口流量直接取用东乡电站的出流量减去金场水的流量，模型下游出口水位取东乡水电站水位上延至本工程下游430m边界处的水位值。
防洪评价计算主要包括对河道水位、流速、流态等几方面，根据评价项目，选择以下水文条件进行计算：金场绥江大桥20年一遇工况
2.3计算结果分析
2.3.1 壅水分析
工程后流速差等值线见图1。在二十年一遇水文条件下，受桥墩阻水影响，金场绥江大桥对上游洪水水位最大抬高值分别为0.06m，水位壅高值大于0.01m的最大影响范围为拟建大桥上游120m左右，桥址下游水位有所减小，最大减小距离桥址下游90m左右。
综上所述，工程对河道防洪（潮）水位的影响很小。
图1 20年一遇下工程前后水位变化图（红色：增加，绿色：减小）
2.3.1 流速分析
工程后，流速一般变化规律为“桥墩之间有所增加，桥墩于河岸之间略微增加，桥墩附近局部区域和上下游有所减小”。20年一遇来水条件下，桥墩间河道主槽最大流速由工程前的2.02 m/s变为工程后的2.37m/s，增加值为0.35m/s。
由此可见，金场绥江大桥工程建设后，绥江河整体流态平顺，流速变化区域主要局限在桥址附近，影响范围及幅度均不太大，拟建工程对所在河道整体流速、流态影响不大。
图2 20年一遇下工程前后流速变化图
3 结论
（1）本文简历了平面二维水流书序模型，计算范围内采用不同节点的不规则四边形网格离散计算区域，计算方法先进、可靠。
（2）本报告采用的是桩群阻力公式法，对桩群所在网格的糙率进行修正并相应抬高网格高程，将桩群作为过水区域处理
（3）通过模型计算得出建桥后水位壅高及流速变化值，并对其进行分析和评价。计算结果表明金场绥江大桥的建设对河道水位壅高及河床冲刷有一定影响，但其水位壅高及冲刷影响有限，对河道行洪能力影响较小。
参考文献：
[1]刘培斌等.河流工程问题数值模拟理论与实践【M】.郑州黄河水利出版社.1999
[2]张涤明等.计算流体力学.【M】.广州.中山大学出版社.1991

-全文完-