跨江大桥对行洪影响的物理模拟研究,

2021-10-24 00:15:44 浏览次数：

跨江大桥对行洪影响的物理模拟研究 跨江大桥对行洪影响的物理模拟研究 【摘要】在河流上修建桥梁或多或少会改变局部河段的水流特性，需考虑其修建对河道行洪的影响。物理模拟在研究涉水建筑物附近河流水流特性方面取得了不少成效。有鉴于此，本文建立了定床物理模型，验证了其可靠性，并采用该模型对建桥前后桥位附近的水位、流速及流向变化情况进行了模拟研究，试验结果说明大桥建设对桥位河段行洪无明显影响。

　　【关键词】跨江大桥；行洪；物理模拟；流向 1、引言 桥梁是沟通江河两岸的主要通道，是大江大河上最常见的涉水建筑物之一。随着社会经济的开展，大江大河上兴建的桥梁越来越多，而数量众多的桥梁对河道的行洪或多或少会产生一定的影响。当桥梁的桥墩布置较密或不合理时会明显改变桥位局部河段的水流结构，严重影响防洪平安。为此，分析桥梁对河道行洪的影响是极为必要的。

　　目前，研究涉水建筑物对河道行洪影响的方法主要有数值模拟和物理模拟两种方法。数值模拟具有计算周期短、不受比尺限制、费用低等优点，在研究与预测河流水沙变化情势方面发挥了积极作用，但其不适用于模拟三维性较强的水流流动，尤其是桥墩附近的水流结构非常复杂、三维特征异常明显，使用数值模拟较难取得理想的成果。物理模型那么具有直观、模拟局部水流结构逼真等优点，是研究涉水建筑物附近局部河段水流结构和水沙变化态势的重要手段，在实际中应用较广。如文献【1】采用变率为2.4的变态物理模型模拟与预测了惊驾路甬江大桥建设对甬江潮流场的影响情况；文献【2】建立了襄樊电厂取、排水口河段动床实体模型，对取、排水河段水流泥沙运动特性、河道冲淤演变趋势及取水可靠性等问题进行了研究。文献【3】通过物理模型试验对治导建筑物绕流机理进行过研究，认为治导建筑物下游流速分布呈现自相似性。

　　有鉴于上述成果，本文采用定床物理模型，以汉江上拟建某大桥为例，对跨江大桥的修建对河道行洪的影响进行了深入研究。

　　2、工程及河道概况 拟建大桥位于汉江武汉市范围内，是武汉市规划的重要汉江通道，该桥的建设能弥补汉阳汉江两岸连接道路的缺乏，是汉阳地区南北向对外快速交通的联络线。该桥主桥长472m，宽44m，为自锚式悬索桥。工程涉水桥墩为2、3、4墩，其中3、4墩分别为左、右岸主墩，2墩为左岸辅墩。

　　拟建大桥位于汉江河口段，距离汉江河口约11km。本段河道断面窄深，滩槽高差大，河岸土质较好，粘土层较厚，抗冲力较强，两岸筑有堤防，多年来河势变化不大。河道两岸堤距260810m，属典型的“两堤一江河段。拟建桥位以上河道弯曲狭窄，河宽一般为300m左右；桥位以下河道相对较顺直，并且河宽逐渐缩窄，最小河宽仅200m左右。桥位河段弯道段凹岸为槽，凸岸为边滩，桥位以上河段深泓根本贴凹岸而行，桥位以下河段深泓那么根本居中下行且位置根本稳定，多年来河势变化不大。跨江大桥附近河势图见图1。

　　3、物理模型设计与验证 3.1物理模型设计 选取拟建大桥上下游约9.3公里的区域作为物理模型的试验范围，因主要研究目的是大桥修建对行洪的影响，故模型设计为定床模型。因汉江平面尺度远大于其垂向尺度，故讲模型设计为变态模型，确定模型平面比尺为250，垂向比尺为100，变率为2.5。定床模型遵循几何相似、按照重力相似设计并满足阻力相似。经计算，模型流量比尺为250000，流速比尺为10，糙率比尺1.36。模型地形采用水泥砂浆抹面，由于水泥砂浆抹面的一般糙率在0.013左右，故应根据河道实际糙率进行适当加糙，本文采用梅花碎石加糙。在模型试验中，流量采用电磁流量计测量，水位用测针测量，流速用旋浆流速仪测量，地形采用水准仪测量。

　　3.2物理模型验证 本文采用研究河段2021年9月实测资料对模型进行了检验。对定床模型进行验证试验的目的在于检验定床模型是否满足阻力相似要求。在本次试验过程中，主要对水位与垂线平均流速分布进行了验证。水位验证结果说明，模型与原型水位最大误差0.02m，误差值均在模型允许的误差范围内，符合中华人民共和国行业标准河工模型试验规程的要求。说明模型水面线与原型水面线根本一致，满足模型与原型综合阻力相似的要求。桥位上游验证断面的垂向平均流速分布验证成果说明，所建模型能较好的模拟河流的水流运动。

　　4、物理模型试验与成果分析 4.1试验条件 选用两个试验工况，分别是工况1和工况2，对工程实施前后工程河段的水位、流速及流向变化情况进行了研究。

　　4.2建桥前后水位变化分析 按照上述拟定的试验工况分别进行了工程实施前后的定床模型试验，并对桥位附近的水位进行观测。试验成果说明建桥后，由于桥墩侵占了局部河槽过水面积并产生阻水作用，使桥位上游的局部区域内水位壅高，而在其下游水位那么有所降低。在不同的上游来流条件下，水位变化在定性上是一致的，但在定量上那么有所不同。在工况1条件下，工程修建后桥位断面上游壅水最大值为0.05m；桥位断面上游100m处水位壅高0.05m；桥位断面上游500m处水位壅高0.02m。在工况2条件下，工程修建后桥位断面上游壅水最大值为0.04m；桥位断面上游100m处水位壅高0.04m；桥位断面上游500m处水位壅高0.02m。

　　4.3建桥前后流速变化分析 建桥前后的试验结果说明建桥后，流速变化主要集中在桥位断面上下游附近的局部区域内，主要表现为桥墩上下游局部区域流速减小，桥墩之间以及桥墩与河岸之间的局部区域流速增加。在工况1条件下，桥位上下游区域流速减小最大值为0.12m/s，桥墩之间流速增加最大值为0.36m/s；在工况2条件下，桥位上下游区域流速减小最大值为0.08m/s，桥墩之间流速增加最大值为0.27m/s。

　　在桥墩与河岸之间的局部区域内，由于桥墩挤压水流导致水流流速增大。在工况1、工况2条件下，工程附近河道右岸流速增加最大值分别为0.29m/s和0.23m/s，其中流速增加值大于0.05m/s的范围分别位于桥址下游约215m和180m；工程附近河道左岸流速增加最大值分别为0.13m/s和0.10m/s，其中流速值增加大于0.05m/s的范围分别位于桥位下游约105m和75m。

　　4.4建桥前后水流流向变化分析 工程修建后，桥墩对水流会产生一定的绕流和导向作用，导致桥位附近水流流向发生变化。对工况1和工况2两种试验条件下，建桥前后桥位断面上水流主流流向与桥轴线法线方向夹角进行了测量。试验结果说明工程修建后，工程上、下游河段流向变化在20以内。

　　5、结论与建议 本文采用物理模拟的方法，以汉江上拟建某大桥为例，研究了桥梁修建对河道行洪的影响，主要认识如下 本文按照几何相似、重力相似与阻力相似建立了研究河道水流运动特性的定床物理模型，以实测资料为根底的验证试验说明，模拟所得水位、流速与原型吻合较好，满足了模型与原型水流运动相似的要求，所建立的定床物理模型能准确的反映研究河段的水流运动特征。

　　选用两组洪水条件，进行了工况试验。试验主要对建桥前后桥位河段的水位、流速及流向进行了模拟研究。试验说明建桥后，桥位上游水位有所雍高，各工况下水位雍高最大值仅为0.05m；建桥后，桥墩上下游局部区域流速略有减小，各工况下流速减小最大值为0.12m/s；桥墩与桥墩之间水流流速有所增加，各工况下流速增加最大值为0.36m/s；近岸流速有所增加，各工况下流速增加最大值为0.29m/s，其中流速增加值大于0.05m/s的最大范围位于桥址下游约215m；建桥前后，各工况下工程上、下游河段的流向变化均在20以内。

　　综述所述，大桥修建引起的桥位局部河段的水位壅高、流速增加与流向变化等均较小，拟建大桥的修建对河道行洪平安影响较小，不会导致现有河势发生大的变化。

　　参考文献 【1】赵淳逸.桥梁工程对感潮河段水动力影响研究以宁波惊驾路甬江大桥为例D.河海大学硕士学位论文.2007.【2】余明辉，吴卫民，刘晓芳.襄樊电厂二期工程取排水河段动床物理模型试验研究J.泥沙研究，2007.176-80.【3】陆永军，周耀庭.治导建筑物绕流机理及其下游流场的探讨J.水动力学研究与进展，A辑，1990，523-31.作者简介 1卢成钢、男、汉族、吉林省龙井市、龙井市水利局、工程师、学士、水利工程建设管理。