二维水动力学模型在东亭河大桥洪水影响评价中应用

王丽杰

(安徽省水利水电勘测设计院，安徽 合肥 230000)

新建池州至黄山铁路(简称“池黄铁路”)双线东亭河大桥于黟县西递镇境内跨越东亭河，包含于拟建的昌景黄铁路左线、右线东亭河大桥中间，3座桥梁间间距约为30m。池黄铁路双线东亭河大桥以及昌景黄铁路左线、右线大桥桥梁长度分别为462.92m、 504.07m 、468.85m，3座桥梁跨东亭河主河道桥墩均采用圆墩，其他桥墩为圆端形实体墩。由于本处河段共规划建设3处桥梁，且桥梁与河道存在一定斜交，为了更准确的分析东亭河大桥工程建设对东亭河行洪影响，本文基于MIKE 21建立桥址处东亭河段二维水动力学模型进行影响分析。

1 平面二维水流数学模型

1.1 数学模型

本次分析需建立东亭河大桥桥址处二维模型，模型建立过程包括计算范围确定、网格剖分、糙率确定以及边界条件建立。根据桥梁建设时间顺序，分别对工况1(仅有昌景黄2座桥梁)、工况2(昌景黄+池黄铁路双线大桥3座桥梁)共计2种工况分别建立数学模型。

1.2 模型计算范围及网格剖分

二维模型计算范围为东亭河源川村境内河段，二维地形采用实测东亭河桥址上游400m、下游1800m之间河道两岸平面、横断面资料,河段长约2.2km。河段地面高程模型如图1所示。

图1 河段地面高程模型

网格剖分基于实测的地形数据建立区域整体地形变化的不规则非结构化三角网格，河道面积约1.5km2，采用边长约5m左右的三角形作为计算网格。为了精细模拟出桥墩建筑物对水流的影响，模型将铁路桥跨河段局部区域的网格进行加密处理，最小网格长度控制在1m左右，建桥后将桥墩所在单元作为不过流单元处理，本文以3座桥梁方案为例进行分析。

1.3 糙率及边界条件建立

由于东亭河河段缺乏实测水文资料，本次计算的模型参数主要以一维河网模型断面提取结果作为验证标准，计算工况为现状无桥工况。根据已知流量和下游水位值逐步试算，验证10年1遇、100年1遇2种工况下相应的桥址附近水位值，验证结果如表1所列，进而确定模型所需参数。

表1 桥址处二维模型计算特征断面水位与一维计算水位比较表

二维模型上游进口边界采用流量控制，下游出口边界采用水位控制，边界条件如表2所列。

表2 计算水位边界条件表

2 防洪综合影响分析

2.1 壅水影响分析

由于新建桥墩减少了河道过流面积，水流流线在桥墩的上游形成收缩，下游形成扩散，加上桥体本身的阻力等因素，使河流的局部阻力增大，造成局部水头损失，引起水流动能转化为势能，必然造成桥前水位升高而引起壅水。根据模拟计算，遭遇不同设计洪水各计算工况下的东亭河水位变化如表3所列，由计算结果可知在昌景黄左线、右线大桥的基础上增加池黄铁路双线大桥后，壅水高度略有增加，但水位变化仅限于桥梁上下游局部范围内，可通过切滩补偿等工程措施进行补偿。

表3 壅水高度计算成果表

2.2 流速、流场变化分析

大桥实施后，因桥墩建设，河道流场变化，导致各方案桥墩处流速变化不一。总的来说，由于桥墩的阻水作用使得桥墩上、下游掩护区内流速有所减小，桥孔之间流速增大，越靠近桥墩流速变化越明显。3座大桥实施后桥址处100年1遇洪水主河槽流速分布图如图2所示，桥址处10年、100年1遇洪水时流线示意图如图3所示，由图可见大桥建设后，桥墩附近出现明显的阻流和绕流，桥墩之间的流向和流速较现状发生了变化。从流速图上可见，桥梁建设后引起的流场变化主要集中在桥跨附近，桥墩的阻流、绕流现象明显，主河槽桥墩之间流线密集，流速变化较大。

图2 100年1遇洪水主河槽流速分布图(工况2)

图3 10年、100年1遇洪水时流线示意图(工况2)

2.3 桥墩布置型式分析

(1)桥墩平面布置。大桥跨越处3排桥墩连续布置，各排桥墩之间的距离大小会对水流流场流态产生不同程度的影响。由计算结果可知，仅有昌景黄两排桥墩时(工况1)桥址处平均流速2.3m/s，加上池黄铁路大桥桥墩(工况2)后桥址处平均流速有所增大，为2.8m/s。受上游桥墩的影响，桥墩两侧水流的紊动强度及影响范围均有所增加，水流更加紊乱。从流态图中可见主河槽3排桥墩的布置顺水流向不在一条直线上，加大了桥墩阻水面积，不利于河道行洪及河势稳定。建议主设单位进一步研究优化桥墩的布置型式，或通过河道断面补偿等工程措施减少不利影响。

(2)桥墩型式。由于桥梁与河道斜交，由图2～图3可见，位于东亭河主河道的池黄铁路大桥11号桥墩以及昌景黄右线大桥3号、左线大桥4号桥墩的挑流作用较明显，将造成局部冲刷及下游河势改变。位于左岸滩地的池黄铁路12号和昌景黄左线2号、3号桥墩为圆端墩，也存在挑流作用，桥墩挑流使右侧水流偏向主河道，左侧挑流对河岸产生一定冲刷。挑流作用的影响是局部范围内的，可以通过岸坡防护等措施降低不利影响，建议岸坡防护工程与主体工程同步实施。

3 结束语

本文采用基于非结构网格的平面二维水流运动数学模型模拟桥址处水流流态，计算结果从水位壅高、流速与局部流场等方面反映了修建涉水工程对河段水流的影响，同时对桥梁群中桥墩的布置型式(桥墩平面布置型式、桥墩型式)进行了分析。由分析结果可知产生的影响均为局部范围内的，可通过工程措施以及优化桥墩布置型式等减小影响，为东亭河大桥防洪评价提供依据。