二维水动力分析在桥梁工程航道通航条件影响评价中的应用

原贺军

(安徽省交通勘察设计院有限公司，安徽 合肥 230011)

0 引 言

根据2018年印发的《安徽省干线航道网规划(2018——2030年)》,规划淮河干流为安徽省干线航道“一纵两横五干二十线”中的两横之一,是省干线航道网的核心之一。规划淮河干流安徽境内三河尖至临淮岗枢纽73 km为Ⅲ级航道,临淮岗枢纽至红山头305 km为Ⅱ级航道。淮河干流航道安徽段货运繁忙,2018年蚌埠船闸和蚌埠复线船闸上行、下行总通过船舶数量约6.67万艘次,总船舶通过量约9 628万t。

建设跨越淮河的桥梁工程时,由于水面宽阔,大型桥墩布置在水中,会对天然的水流流态产生干扰,对航道的水动力特性产生影响,使桥墩附近产生不安全的紊流区域。本文以G345马城至唐集段一级公路工程淮河特大桥为例,结合桥区最新地形和水文资料,采用二维水动力分析研究拟建桥梁对航道的流速、流态的影响以及桥墩紊流宽度的取值。

1 模型建立

1.1 控制方程

模型的建立是基于三向不可压缩和Reynolds值均布的Navier-Stokes方程,并服从于Boussinesq假定和静水压力的假定。

二维非恒定浅水方程组(连续性方程、动量方程)为:

(1)

(2)

(3)

1.2 求解方法

模型采用的数值方法是单元中心的有限体积法。控制方程离散时,结果变量U、V位于单元中心,跨边界通量垂直于单元边。有限体积方法中法向通量的计算是,在沿外法线方向建立起单元水动力模型,并通过求解一维的Riemann问题而得到。

1.3 网格划分

模型范围取工程断面上游3.0 km至下游3.0 km,采用非结构三角网格,网格空间步长20 m,桥墩附近加密至0.5 m左右。

1.4 计算工况

拟建桥梁位于临淮岗枢纽和蚌埠闸枢纽之间,下距蚌埠闸枢纽约30 km,受下游蚌埠闸枢纽调蓄功能影响,设计最低通航水位和常水位工况下水流流速较小,相应的横向流速也较小。因此,本次仅分析设计最高通航水位23.3 m(20年一遇洪水位)工况。

2 拟建桥梁对水流条件的影响

根据桥梁建设前上游500 m至下游500 m处横断面流速统计,工程河段流速范围为0～1.51 m/s,最大流速出现在桥位上游400～500 m处,该处河床底高程较前段有明显抬高,过水断面减小导致水流流速较大。

工程实施以后,洪水期桥址附近断面水流形态总体仍主要沿河道方向。受桥墩影响,桥墩附近流速流向发生少许变化,但影响范围不大,如图1所示。根据拟建桥梁上游500 m至下游500 m处横断面流速统计,工程河段流速范围为0～1.52 m/s,最大流速位置与工程前基本一致。拟建桥梁对工程河段整体水流条件基本没有影响。

图1 工程实施后桥址附近流场图

3 紊流对通航净宽影响分析

由于桥墩的阻水作用,在桥墩附近产生绕流,流态紊乱,如图2所示。将其分解到桥梁轴线方向即是影响船舶航行的横向流速。横向流速容易使船舶偏转产生横向位移,对船舶航行不利,所以需要研究桥墩附近紊流产生横向流速的影响宽度,船舶航行时应避开此区域。

图2 工程实施后桥址附近横向流速流场图

研究桥墩附近的紊流区宽度,需要将流速沿着与河道垂直的方向进行分解,以得到横向流速分布,通过在桥墩附近所取一定数量的测点数据,分析桥墩附近横向流速小于0.2 m/s的范围以确定紊流宽度大小。

拟建桥梁2号、3号桥墩之间为主通航孔,主通航孔跨径为230 m,按单孔三线通航考虑;1号、2号桥墩之间为左副通航孔,3号、4号之间为右副通航孔,副通航孔跨径为105 m,按单孔单向通航考虑。

在各桥墩附近按一定间距分别选取一定数量的测点,进行横向流速数据的采集,得到各通航孔两侧桥墩的紊流宽度见表1。

表1 各通航孔两侧桥墩的紊流宽度

根据计算结果,设计最高通航水位23.3 m(20年一遇洪水)时,桥墩附近紊流主要集中在迎水侧,各通航孔两侧横向流速大于0.2 m/s的区域占用通航净宽为1～4.5 m。

4 结束语

在航道通航条件影响评价工作中,对于跨越重要航道的桥梁工程,应采用二维水动力分析方法研究桥墩布置对桥区河段水流条件的影响,通过采集测点数据可以确定桥墩阻水产生的紊流区域所占用的通航净空尺度。本文提出的分析方法可供淮河干流安徽段后续建设的桥梁工程参考。