沙坡头黄河特大桥行洪影响分析

沙坡头黄河特大桥行洪影响分析

张继铭1，黎添银2

（1.  重庆交通大学，重庆 400016；2.重庆交通大学，重庆40016）

摘  要：跨河桥梁由于其桥墩等占据了原本的过水面积，使得河床发生相应的变化。采用二维水动力模型对沙坡头黄河特大桥建桥前后及不同工况的河段进行数值模拟，对河段水流条件进行分析，结果表明大桥的修建河道影响较小，为该工程行洪影响分析提供了可靠的数据支撑。

关键词：Mike21；数值模拟；河道行洪

中图分类号：TV873；文献标码：A

Analysis on the Impact of Shapotou Yellow River Bridge Flood Discharge

ZHANG Jiming1,MIAO Jilun2

(1.Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400016, China;

2.Sounthwest Research Institute for Waterway Transportation,Chongqing 400016,China)

Abstract:Due to the bridge piers occupy the original discharge area, the river bed will change accordingly.the two-dimensional hydrodynamic model is used to numerically simulate Shapotou yellow river bridge before and after the bridge construction and the river sections in different working conditions,Analysis of water flow conditions in the river reach,the results provides reliable data for the flood impact analysis of the project.

Key words: Mike21; numerically simulate; flooding

收稿日期：             修订日期

0.引  言

跨河大桥的修建会影响其河道的水流条件，从而对河道行洪产生一定影响[1]。桥梁修建后，拟建桥梁上游水流收缩、下游水流扩散，加上桥体本身的阻力等相关因素，使河流的局部阻力增大，造成河道局部水头损失，形成桥梁上下游的水位差，导致桥前桥后形成壅水和跌水[2]。相对于实验周期长、花费物力、人力成本高的物理模型，平面二维水流数学模型因其高精度、耗时短、成本低而得到大量使用，随着计算机学科的进步，数值模拟得到广泛地使用，许多河道工程问题得以通过计算软件解决[3]。使用二维数值模拟的方法计算沙坡头黄河特大

桥河段建桥前后的壅水高度、流速、流场、河势等变化。

1.工程概况

沙坡头区处于宁夏中西部宁、蒙、甘交壤地，中卫市区南依黄河，北距银川市约166km，东距吴忠市约143km，南距固原市约241km。拟建大桥位于宁夏中卫市境内，位于沙坡头水库坝址以上7.44km，南长滩翠柳沟至下河沿河段，上距定武高速黄河大桥80m，距西气东输一线跨河管线约980m，大桥跨黄河。

2.1流域概况

宁夏境内黄河段属黄河上游河段，长约397km，区内流域面积43890km2，为项目区最大的河流，多年平均流量为1018m3/s，年径流量为321亿m3。

2.2水文站布设

在桥位下游9.44km为下河沿水文站，本次沙坡头黄河特大桥防洪评价径流、泥沙分析均使用该水文站资料。

2.3水文特征

气象资料表明，该市平均气温为8.8℃；最低温为-30℃，最高温为41.4℃；年均降水量179.6mm，最大年降水量和最小年降水量分别为308.2mm、86.5mm。年蒸发量为1600mm，年平均相对湿度47%，该区属季节性冻土地区，最大冻土深度0.85m，全年无霜期167天。

3模型的建立及验证

3.1控制方程

MIKE21模型是基于三维不可压雷诺值均布的N-S方程，在笛卡尔坐标系中可表示为[4]：

水流连续方程：

                      （1）

沿主流方向的运动方程：

（2）  垂直主流方向水流运动方程：

  （3）

其中：H为水深；u和v为x和y方向上的流速，M=uh，N=vh；n为曼宁糙率系数；D为紊动粘性系数；U、V为流速在ξ和η方向的分量为U=yηu-xηv=J（ξxu+ξyv）,V=-yξu+xξv=J(ηxu+ηyv)，J=xξyη-xηyξ；ξx=yη/J；ny=xξ/J；q11=ξx2+ξy2；q12=ξxηx+ξyηy；q22=ηx2+ηy2。

3.2研究范围及网格布置

依据沙坡头黄河特大桥拟建所位于河道的河势情况，并考虑计算河段进出口需要留有一定长度的调整段，计算进口段为桥位上游河段约1.7km，计算出口段至桥位下游约1.8km，全长约3.5km。采用三角形网格离散计算区域，其中加密桥墩周围的网格以保证计算的精确性。计算区共有7004个计算节点和13609个计算单元，网格边长一般为34m，最小加密区边长为2m。

3.3边界条件布置

根据桥位河段水文资料，计算上游进口边界条件采用桥位河段不同频率洪水对应的流量，下游出口则可根据桥位河段水位流量关系确定，其流量～水位组合见表1。

表1流量～水位组合

3.4模型验证

根据2020年12月5日测量的水位数据对本次模型计算进行水位验证，计算结果与测量水位数据见表2，数学模型与实测水位符合较好，水位偏差最大为0.03m。

表2水位验证成果表

4.计算分析

4.1壅水分析计算

（1）壅水高度

河道中的桥墩会减小过水断面的面积，阻碍水流的正常流态，致使桥墩上游出现壅水现象[5]。壅水高度计算结果可见表2。

（2）壅水长度

壅水长度是最高壅水峰面到壅水高度为零的断面的长度。壅水长度计算结果详见表2。

（3）过水面积缩窄率

工程修建后所占据的过水面积与工程修建前的过水面积之比称为过水面积缩窄率，过水面积缩窄率是体现跨河工程影响河道行洪能力的主要参数[9]。本次工程修建后计算成果见表2。

在设计流量为7220m3/s洪水情况下桥梁桥墩处最大壅高为0.18m，壅水长度为787m，过水面积缩窄率为2.14%；设计流量为6770m3/s洪水情况下桥墩处最大壅高为0.17m，壅水长度为774m，过水面积缩窄率为2.05%。拟建大桥13#墩最低梁低高程为1307.69m，比防洪梁底部高程1247.69m高59.67m，其工程拟建可以满足行洪安全。

表3壅水计算表

4.2流速影响分析计算

流速变化见表4。在桥墩的周边绕流影响下，桥墩附近的流速增大；桥墩建设后缩窄了行洪面积，桥墩前后产生的壅水、跌水现象导致工程上游、下游河段的水流流速受到影响，当桥位河段分别遭遇P=0.33%、1%、10%、33.3%洪水时，该河段平均流速为3.53m/s、3.54m/s、3.41m/s、3.34m/s，相比天然平均流速分别增加0.08m/s、0.07m/s、0.05m/s、0.03m/s。拟建大桥修建后，受桥墩阻水影响，桥轴线上游河道流速略微减小，桥墩附近及下游的水流流速有一定程度增加。

表4测点流速变化表

4.3流场分析计算

根据数模计算结果，大桥拟建后，由于桥墩的阻水作用，桥墩局部范围内的水流流向产生明显变化，除了桥墩局部范围内，各断面流线位置无明显变化。

4.4河势影响分析计算

拟建沙坡头黄河特大桥对河势的改变体现在：桥墩、桥台等建筑物缩窄了原本的过水面积，从而使得河床发生了相应变化，使得墩台周围水流条件发生了改变。从桥梁修建前后的流速分布来看，除开墩台附近水流，主流带无较大改变，从而说明大桥的拟建对流速、流向无显著改变。

5.结论

本文用二维水动力模型分析了沙坡头黄河特大桥建设后对河道的行洪影响,得出以下结论：

（1）拟建大桥的桥墩局部存在一定冲刷，可以在桥墩附近铺设粗颗粒的材料防护层或抛石等来提高桥墩的防冲刷能力。

（2）根据计算可得，在以上各种工况下，大桥修建之后过水面积缩窄率最大值为2.14%，墩台引起的壅水高度最大值为0.18m，雍水长度最大值为787m。

（3）桥梁修建后流场及流速的改变主要集中在桥墩附近较小范围内，桥梁建设对河道影响较小。

（4）Mike21二维水动力模型能体现出工程建设前后水流条件及河势变化，为该工程行洪分析提供了可靠的数据支撑。

参考文献：

[1]杜承龙. 高速铁路特大桥建设工程防洪影响评价研究[D].长安大学,2020.

[2]李艳,周勤,黄军,侯极,米家杉.

大渡河铁路桥防洪影响数值模拟研究[J].中国水运,2019,19(02):84-85.

[3]杜壮壮,高勇,万建忠..基于数字孪生技术的河道工程智能管理方法[J].中国水利,2020(12):60-62.

[4]米家杉,周勤,李艳.MIKE21在桥梁洪水影响分析中的应用[J].中国水运,2019,19(09):175-176.

[5]朱京德,陆洪亚,孙传文.二维水动力模型在多座桥梁行洪影响分析中的应用[J].水资源开发与管理,2021(05):10-16.