基于MIKE21的弯道跨河桥梁影响评价分析

杨晓敏，白 赟，张 敏

（山东省水利勘测设计院有限公司，山东 济南 250014）

临港铁路G518特大桥桥长1 858.1 m，跨越河道范围桥长为416 m，桥梁一跨跨越主河槽，桥梁轴线与主河槽夹角为80°，河道断面内共设桥墩10个，左侧滩地4个桥墩，右侧滩地6个桥墩，桥墩均采用圆端形实体墩。跨越处现状河道为复式断面，河道宽度300 m。河道防洪标准为20年一遇，跨越处左岸现状有堤防，堤顶宽度和高程满足要求，不需复堤；右岸现状为岗地，规划不筑堤。

文章以G518特大桥跨绣针河为例，采用MIKE21分析桥梁弯道跨越河流弯道交汇处的河流流场变化以及壅水计算。MIKE21中的水动力模型软件模块，采用非结构化网格二维水动力模型，以非结构化三角形网格为基础，尤其对于复杂河道边线，可根据实际地形进行网格概化，能够较为准确直观的对二维非恒定流进行模拟，灵活多变，并通过后期提取及处理计算结果，能够对河道水流形态和跨河建筑物的壅水影响做到直观、可视化。

1 模型建立

1.1 计算区域

本次模型计算区域选定上游5.5 km至坪岚铁路跨绣针河处，下游3.2 km至桑园河入绣针河河口处，计算区域纵向长度8.7 km，横向宽度均在300 m左右。网格划分节点与网格单元因计算断面的不同数量有所不同，桥梁跨越处的网格相对密集。

1.2 边界条件

临港铁路G518特大桥跨河工程模型上游边界采用坪岚铁路跨绣针河处20年一遇洪水设计流量1 321 m3/s，下游边界起调水位采用《日照市绣针河0+000～14+600段治理工程初步设计报告》中桑园河入绣针河河口处20年一遇洪水位为23.85 m。

1.3 模型验证

本次模型的准确性验证采用与2012年绣针河0+000～14+600段治理设计水面线成果进行相应验证。考虑桥梁纵向跨越河道范围以及河道比降较大，选取2012年绣针河0+700～1+700段治理设计水面线成果进行相应验证。以20年一遇防洪流量1 321 m3/s时的模型模拟水位值与2012年绣针河治理设计水位进行比较，从而来率定模型的准确性。

根据绣针河20年一遇水位的数值模拟结果与2012年绣针河规划治理设计值的比较，发现数值模拟结果与原设计差值均小于0.1 m，平均绝对差值0.03 m，吻合较好。

在G518特大桥与绣针河交汇处，该处局部地形地貌比较复杂，出现地形尖锐变化，故对其进行地形钝化处理，使地形变缓。对河道堤顶进行概化处理，将堤顶宽度概化成相同宽度，且高程统一赋值为计算长度内平均堤顶高程。G518特大桥跨越绣针河处，河道断面内的10个桥墩，其承台顶高程均低于河道断面底高程，故不再考虑承台对洪水的影响，只概化桥墩对绣针河河道影响。

2 结果分析

2.1 流场分析

跨河桥梁之所以影响水流，主要是由于桥墩的存在减小了过水断面的面积和水流绕过桥墩时会受到桥墩的额外阻力作用。

桥墩阻力的大小由式（1）给出：

式中：Cd为桥墩的拖曳力系数，为无量纲量，与桥墩的形状和布置有关；V为桥墩处的行进流速，m/s；AP为水下垂直于来流方向的桥墩截水面积，m2。

实际计算中，考虑桥梁建成后由于水流冲刷增加的阻力，将阻力平均分布在桥墩中心所在的单元上。通过增加额外“桥墩剪切应力”来修正单元内床面剪切应力的方向部分。修正后的单元的床面切应力为：

式中：Ae为桥墩所在单元的单元面积，m2。

对于所含桥墩的单元，单元内的床面剪切应力相应增加。

计算20年一遇洪水情况下桥位处断面的流速分布，以及水流方向与正北方向的夹角。取G518特大桥跨绣针河上、下游测量中心线作为剖面线，提取该剖面上各点的水位和流速，对桥梁工程修建前后的水流状态进行分析比较可知：20年一遇洪水时，工程实施后对河道内水流的影响主要集中在桥区的上下游，跨越处桥下主槽流速为1.68 m/s，桥区断面因水流集中导致流速有所增加，流速最大增加量为0.346 m/s，约为建桥前流速的33.73%，流向改变8.914°；流速最大减小量1.071 m/s，约为建桥前流速的89.50%，流向改变42.241°。

工程实施后水流方向自河道中泓线向两岸发生偏移，在桥址处及其上、下游附近偏移量最大，至上、下游200 m处基本恢复到工程实施前的流向。因此应对桥址处上、下游两侧河岸及堤防采取防护措施。

2.2 壅水分析

本次模型计算区域纵向长度8.7 km，考虑绣针河为山丘区河道比降大，且跨越处上游1.2 km为于家村漫水桥，上游壅水范围相对较小，本次计算结果选取桥梁跨越处上、下游各1 km工程实施前后的水位进行对比分析，见表1。

由表1可以看出，桥址处以及其上游侧水位在工程实施后均有所增加，而桥址处下游水位变化较小。工程实施后，20年一遇洪水时，G518特大桥跨绣针河对桥址处上游720 m范围内水位有一定影响，工程实施前后最大水位变化0.051 m，最大水位壅高发生在桥轴线上游，离桥轴线越远，水位壅高越小，在桥轴线上游720 m以外范围工程实施前后水位趋于平稳。从总体上看，工程实施后使得桥址处上游壅水，桥下游水位变化较小。

表1 实施前后20年一遇洪水位对比表m

2.3 经验公式计算

根据《铁路工程水文勘测设计规范》（TB 10017-99），桥前壅水高度可采用式（4）计算：

式中：ΔZm为桥前最大壅水高度，m，η为阻水系数；V为断面平均流速，m/s；VM为桥下平均流速，m/s。

壅水曲线全长可按式（5）近似估算：

式中：Ly为壅水曲线全长，m；I0为桥址河段天然水面坡度。

采用上述壅水公式计算工程实施后桥前最大壅水高度及壅水长度，经计算，G518特大桥跨绣针河桥前20年一遇壅水高度为0.07 m，壅水长度为524 m，桥下影响范围内平均流速1.25 m/s。

2.4 结果对比分析

通过水动力模型计算，20年一遇洪水时，工程实施后跨越处桥下主槽流速为1.68 m/s，最大水位壅高0.051 m，水位壅高影响范围720 m；通过经验公式计算，桥下平均流速为1.25 m/s，最大水位壅高0.07 m，壅水长度为524 m。

模型可以提取河道横剖面上各点的水位和流速，能够较为直观地反映水流状态，经验公式只能计算某一断面平均流速，对于弯道河流，若断面密集，则会出现计算断面重叠情况。两种方法计算成果相差不大，数学模型是在大量实测资料的基础上对实际情况的模拟，模型得到了水位的验证，成果较为可靠。综合考虑，本次采用模型模拟成果。

3 结语

1）本次模拟河道绣针河，其河道水面比较宽，根据多年观测资料和模型计算成果分析，采用MIKE21中的水动力模型软件模块进行模拟是可行的。

2）工程实施前后流态变化：工程实施后桥上游由于桥的壅水作用，水位有所升高，升高值以桥址附近最大，向上游逐渐减小，其流速随水位的升高而减小；桥址处流速改变最大，向上游其改变值逐渐减小；桥下游在桥址附近水流紊乱，在一个过水断面内各点流速有一定的变化，但平均流速略有减小，变化不大，随着向下游远离桥址，逐渐恢复为工程实施前的水平。

3）通过采用MIKE21水动力模型对弯道跨河桥梁的水流状态进行模拟，成果可靠，并通过对其计算成果后期提取及处理，能够在对水流状态进行分析的同时做到直观、可视化，此方法可直接用于本桥的防洪影响评价以及复杂河道边界条件的设计工作中。