文物桥原址保护对区域引排河道的影响研究

程 实，李 昱，张 旭，陈 浩

(江苏省太湖水利规划设计研究院有限公司，江苏 苏州 215100)

太湖流域经济发达，水系分布广泛，为沟通两岸经济交流，自古以来修建众多跨河桥梁。随着区域经济的发展和水文条件的变化，现有的河道规模不能满足区域防洪排涝的要求，需对老河道进行拓浚，原有跨河桥梁应进行拆建。

部分跨河桥梁历史悠久，具有重要的意义及价值，不具备迁移安置的条件，根据文物保护单位的要求，需进行原址保护。考虑到单侧桥墩的保护会大面积侵占河道过水断面，河道线型较为弯曲，水流较为紊乱，影响河道引排能力，需对文物桥梁的桥墩基座布置进行数值模拟分析。

文章以老桃花港河道整治工程的文物桥梁为例，采用数值模拟方法，计算了不同桥墩基座布置下各引排工况的水流结构，并进行对比分析，选取最经济合理的文物保护措施。

1 工程概况

老桃花港位于武澄锡虞区低片，是区域重要的通江河道，自长江沿常州新北区和江阴市边界向南至李大河，本次工程为长江至S122省道段，全长6.87km。老桃花港主要承担地区洪涝水北排长江，干旱年份引长江水补充区域水资源的任务，减轻区域防洪除涝压力和提高水资源配置能力，同时增强河道引排能力，促进区域水环境质量的改善。工程主要建设内容有河道拓浚、护岸工程、堤防工程、桥梁工程等，其中拆建桥梁4座，新建桥梁1座，原址保护桥梁1座(新桥)。

新桥文物桥始建于明崇祯年间，为单孔石拱桥，桥身用青石条石砌筑，净跨为8.3m，桥面宽3.8m，1992年被列为江阴市文物保护单位，经过多次与文保单位对接，考虑到该座桥梁的特殊性，需进行原址保护。

根据河道前期规划选址的批复，新桥区段平面布置如图1所示。新桥右岸维持现状河线，新建护岸与现状桥墩衔接；左岸进行拓浚，左岸桥墩处采用灌注桩挡墙与现状挡墙形成基座。桥墩基座位于河道中央，需进行数值模拟计算，优化基座的型式与布置。综合考虑到护岸建设的成本以及水流结构的优化，本工程初步推荐采用半圆形或纺锤形基座。

图1 新桥平面示意图(单位：m)

2 数值模拟

2.1 数学模型基本控制方程

连续方程：

(1)

动量方程：

(2)

2.2 数值求解方法

采用有限体积法对数学模型控制方程进行离散，速度压力耦合矫正采用SIMPLEC方法，动量方程采用二阶迎风离散格式，所有参量的残差控制标准取为1.0×10-5。

2.3 计算区域、边界条件和网格划分

所建立的模型进口处为入流边界，对不同的计算工况，根据流量和水位条件，给定入口过水断面的流速或流量；模型出口为水流出流边界，根据计算工况的不同给定不同的压力边界条件。

采用结构网格划分计算区域，为了提高计算的精确性，对关键区域的网格进行细化。

2.4 计算工况

各工况断面平均流速计算结果见表1。

由表1可知，引水工况下水位较浅，断面平均流速更大，根据工程经验，该工况流态更为紊乱，文章拟对引水工况下水流结构进行对比分析。

表1 各工况断面平均流速计算表

3 不同桥墩基座形状对比分析

3.1 水流结构

根据老桃花港水利规划河口线、水下地形，以及最大引水流量对应的水位建模分析，计算流速矢量图如图，2、图3所示。

图2 半圆形基座引水时流速矢量图(单位：m/s)

图3 纺锤形基座引水时流速矢量图(单位：m/s)

由上图可以看出，采用半圆形基座时，水流扩散不均匀，主流偏向单侧河岸，桥墩基座后方形成大范围回流区，最大流速达到0.94m/s；采用纺锤形桥墩基座时，桥墩基座相当于导流墩，主流经过束窄断面后扩散较为均匀，最大流速约为0.83m/s，桥梁基座后方无明显回流区，水流流态明显改善。

3.2 工程造价

桥墩基座主要采用直立式灌注桩护岸，成本较高，根据工程造价计算，延米造价约为3万元。采用半圆形基座时，护岸长度为21m；采用纺锤形基座时，护岸长度为42m，工程造价显著增加。

综合考虑水流结构及工程造价的因素，拟采用纺锤形桥墩基座，并对其结构进一步优化，减小工程造价。

4 纺锤形桥墩基座结构优化设计

4.1 基座结构分析

桥墩基座结构主要可以拆解为上下游两部分，如图4所示。根据经验判断可知，主要对水流结构及工程造价产生影响的是基座上下游衔接坡比，坡比越缓，水流结构越顺畅，水流调整效果越好，但相应造价越高。

图4 桥墩基座结构示意图

文章采取不同的上下游衔接坡比1∶m1，1∶m2，分析对比采用不同的上下游衔接坡比时水流结构的变化情况，从而选择合适的桥墩基座结构，既能节约工程投资，又能优化水流结构，保证河道的功能发挥。

计算坡比见表2。

表2 计算方案汇总表

4.2 计算结果分析

各工况计算结果如图5～图8所示。

图5 方案1流速矢量图(单位：m/s)

图6 方案2流速矢量图(单位：m/s)

图7 方案3流速矢量图(单位：m/s)

图8 方案4流速矢量图(单位：m/s)

由计算结果可知，当上游衔接坡比放缓时，河道水流结构有明显改善，且主流偏向于主河拓浚侧，最大流速也较小，如图5与图8所示。这是因为上游衔接坡比放缓，桥墩基座相当于主河中的导流墩，受主河河线及导流墩的作用，主流偏转较为顺畅，能有效减小文物桥梁下方原河槽冲刷，保护文物桥梁的稳定性。

当下游接线坡比放缓时，河道最大流速减小，但是差别不大，且水流流态改善有限，这主要是下游接线受现状挡墙线型限制，可调整余地较小，导流效果不佳。

综合考虑节约工程造价以及优化水流结构，工程拟采用上游衔接坡比为1∶2，下游衔接坡比为1∶0.75。

5 结语

(1)文物桥原址保护会对河道引排能力产生较大影响，需对其进行数值模拟计算以优化水流结构。

(2)计算表明，文物桥梁基座采用纺锤形桥墩基座对水流结构优化更有利。

(3)基于节约工程造价以及最大程度优化流态考虑，建议对桥梁基座的布置进行对比分析。