建桥对望虞河行洪及引水能力影响的计算分析

建桥对望虞河行洪及引水能力影响的计算分析曲红玲，高祥宇，夏益民（南京水利科学研究院，江苏 南京 210024 ）摘要：沿江开发高等级公路跨越望虞河，通过平面二维水流数学模型计算分析拟建大桥对望虞河行洪和引水时流量、水位、流速的影响。

结果表明：大桥修建后对河道行洪及引水能力的影响较小，桥墩周围水位略有变化，河道内流速影响范围不大。

关键词：行洪；引水；跨河大桥；数值模拟望虞河是太湖流域骨干泄洪引水通道，对流域防洪、水资源配置和水环境保护有举足轻重的作用。

新一轮太湖流域防洪规划，将进一步扩大望虞河行洪和引水能力，建成太湖行洪的高速通道和引江“清水走廊”[1]。

沿江开发高等级公路在常熟海虞镇境内跨越望虞河，大桥对其行洪和引水能力影响研究十分必要。

1 工程概况1.1建设项目概况[2]沿江开发高等级公路望虞河大桥位于常熟市海虞镇境内，大桥距下游常熟枢纽节制闸约1 265 m ，距上游虞王桥约1 250 m 。

桥轴线与水流方向交角为90°。

图1为望虞河现状示意图和拟建大桥工程位置。

图1 望虞河现状示意图和拟建大桥工程位置拟建大桥桥型为7×30+(55+85+55)+6×30预应力混凝土连续箱梁结构，主桥下部结构采用薄壁式墩，钻孔灌注桩基础。

桥梁全长592.2 m 。

大桥主墩左右各1排2个，顺流排列，长12 m 、宽2.5 m ，两端迎水面和背水面均为半圆形。

1.2工程所在河道情况[3]望虞河通航等级五级，通航要求净宽50 m ，净高5 m 。

桥位处河口宽约150 m ，河道断面标准为：底高程-3.0 m （吴淞高程）、底宽82 m 、坡比1:3~1:5（即高程-1.0 m 以上1:3，以下1:5）；东西岸堤防标准为：顶高程分别为6.0 m 、5.5 m ，顶宽分别为11.5 m 、4 m ，坡比1:2，青坎高程4.5 m ，青坎宽度分别为5 m 、2 m 。

2 平面二维水流数学模型2.1控制方程及其离散求解在流体力学中，浅水流动是对实流动的一种简化和概化的数学模型。

本模型采用基于圣维南方程基本假设的浅水方程组：()()()()E U G U U U F U S U t t x y∂∂∂∂+∇=++=∂∂∂∂ （1） 式中：h U hu hv ⎡⎤⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎣⎦，F Ei Gj =+v v ，222hu gh E hu huv ⎡⎤⎢⎥⎢⎥=+⎢⎥⎢⎥⎣⎦，222hv G huv gh hv ⎡⎤⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎢⎥+⎣⎦，0()()ox fx oy fy S gh S S gh S S ⎡⎤⎢⎥=−⎢⎥⎢⎥−⎣⎦，h 为水深；u 为x 方向流速；联系方式：xygao@v 为y 方向流速；ox S 为x 方向底坡；oy S 为y 方向底坡；x方向摩阻坡降f x S=y 方向摩阻坡降34222h v u v n S fy +=；n 为曼宁粗糙系数。

[4] 对控制体积分方程（1），应用Gauss-Green 公式，化为沿其周界的线积分，得：()x y s U d En Gn ds Sd t ΩΩ∂Ω=++Ω∂∫∫∫ （2） 对于m 边凸多边形，（2）式等号右边第一项可离散成m 项之和，在数值上等于被积函数在控制体各边上的法向值与该边长度的乘积，假定水力要素在各控制体内均匀分布，则式（2）可化为：1()m i i i n ni U A E G L AS t =∂=++∂∑ （3） 利用欧拉方程的旋转不变性，将式（3）变为：111()()()m n n i i i A U U t T F U L AS θ+−=⎡⎤−=Δ+⎢⎥⎣⎦∑（4）式（4）左边表示控制体内守恒变量在t Δ内的变化，右边第一项表示沿第i 边法向输出的平均通量乘以相应边长，第二项表示控制体内源项（入流及外力）在t Δ内的作用；这反映了守恒物理量的守恒原理：守恒物理量在控制体内随时间的变化量等于各边法向数值通量的时间变化量和源项的时间变化量。

式（4）中的输出通量()F U 采用通量差分裂格式（FDS ）求出[5,6]。

2.2定解条件2.2.1 初始条件计算时取初始流速00u =和00v =，初始水位0z 为一给定数。

模型经过一定时间的运行，初始条件的影响将会消除。

2.2.2 边界条件模型开边界用水位过程或流量过程控制；闭边界采用不可入条件，即取法向流速0n v =，n 为边界的外法线方向。

2.3计算范围、网格及地形2.4糙率系数和时间步长本次计算糙率采用曼宁公式，参考《水工设计手册》推荐的取值和有关望虞河类似大桥的洪水影响评价成果，并考虑本河段的实际情况，糙率系数取值为0.025。

根据模型计算稳定条件及计算精度的要求，大模型的时间步长取为1 s，小模型的计算步长取为0.01 s。

2.5计算条件本次计算选择1999年型（相当于100年一遇）特大洪水、1954年型（相当于50年一遇）设计洪水和引水时望虞河的最大流量及相应水位作为模型边界控制条件。

根据常熟枢纽调度情况，本次计算所采用的具体水文条件见下表1。

表1 计算采用水文条件表水文类型上边界条件（望亭立交闸下水位）下边界条件（常熟枢纽情况）备注多年平均高水位4.00 m百年一遇洪水 5.09 m多年平均低水位1.56 m上下边界都是水位控制闸上实测水位过程线50年一遇洪水 4.84 m 多年平均低水位1.56 m引水 3.0 m 350 m3/s 上边界水位控制下边界流量控制表中上边界水文条件是指望亭立交处的水文条件，下边界水文条件是指常熟枢纽处水文条件。

闸上实测水位过程线是1999年7月13日5时52分~12时33分之间开闸泄洪期间水位过程线。

大模型计算结果采用1999年7月13号实测琳桥水位验证，当望亭立交闸下水位为5.09 m时，琳桥实测水位4.73 m，计算水位为4.77 m，验证结果表明模型计算结果与实际情况基本相符。

3 拟建工程对流量、水位和流速的影响3.1拟建大桥对河道过水面积变化分析拟建大桥在望虞河河道内布置了两组薄壁桥墩（共4个），每个薄壁桥墩立柱顺水流方向12.0 m，垂直水流方向2.5 m。

根据二维水流模型计算结果，本工程布置在河道内的桥墩阻水面积比均低于3.5%，阻水面积比较小。

望虞河行洪和引水情况下桥墩阻水面积统计见表2。

表2 常熟西段望虞河大桥桥墩阻水面积统计表水文条件桥址水位/m 河槽过水面积/m2阻水面积/m2阻水面积比/%下边界高水位 4.02 804.78 26.25 3.26 百年一遇下边界低水位 1.77 500.21 15.13 3.0250年下边界低水位 1.68 488.78 14.90 3.05 一遇供水 3.77 773.76 25.05 3.24 3.2拟建大桥对望虞河行洪及引水流量影响分析常熟西段望虞河大桥建设后，由于河道内桥墩的建设，使河道桥址处过水断面减小，加上桥墩阻水作用，会对望虞河过水流量有所影响，为了比较流量变化情况，在桥址所在断面计算工程前后的流量情况。

计算结果表明：百年一遇洪水下边界高水位和低水位的过流量分别为516 m3/s和525 m3/s，50年一遇洪水下边界低水位的过流量为511 m3/s。

引水时，断面过流量为350 m3/s。

建桥后，断面过流量略有减小，百年一遇洪水下边界高水位和低水位的过流量分别减小1.3 m3/s和2.3 m3/s，50年一遇洪水下边界低水位的过流量减小2.1 m3/s。

引水时，在工程前后上下游边界水位不变的情况下，断面过流量减小1 m3/s。

由此可见，常熟西段望虞河大桥建设后，对望虞河行洪和引水能力有所影响，但影响程度较小。

3.3拟建大桥对望虞河行洪和引水水位影响分析常熟西段望虞河大桥建设后，由于桥墩阻水，使望虞河在行洪时桥上游产生壅水，桥下游水位有所降低；引水时，桥下游水位壅高，上游水位降低。

为分析拟建大桥对望虞河行洪和引水水位影响，在河道内桥上下游及桥孔之间共布置了29个采样点（见图5）进行工程前后水位变化（图6~9）比较。

图5 水位采样点布置图图6 工程前后水面线比较图图7 工程前后水面线比较图（100年一遇特大洪水和下边界高水位时）（100年一遇特大洪水和下边界低水位时）图8 工程前后水面线比较图图9 工程前后水面线比较图（50年一遇特大洪水和下边界低水位时）（引水时）（注：图中“+”表示在桥上游，“-”表示在桥下游）由工程前后水面线比较图可以看出，在百年一遇洪水和下边界低水位情况时，桥上游水位壅高值最大，最大值为3.0 cm，水位壅高3.0 cm出现在桥墩上游5 m范围内，桥上游50 m以外的水位壅高已不足1.0 cm；桥下游水位降低，降低最大值为2.6 cm，水位降低2.6 cm在桥墩下游约5 m范围内，桥下游50 m以外的水位降低已不足0.5 cm。

引水时，桥上游水位降低最大值为2.1 cm，桥下游水位壅高，壅高最大值为2 cm，水位变化2 cm在桥上下各5 m范围内，桥上下游10 m以外的水位变化已不足1.0 cm。

主桥孔中间水位变化有增有减，但变化都较小，边桥孔的水位变化跟主桥孔相差不大，均不会对边滩和堤防有太大影响。

3.4拟建大桥对望虞河行洪和引水流速影响分析由于桥墩的阻水作用和桥址处河道过水断面的减少，在桥孔中流速增加，在桥墩前沿流速减小。

为了研究建桥后流速的变化情况，在大桥附近和河道中共布置了17个流速采样点（见图10），表3为各方案工程前后流速变化比较表。

图10 流速采样点布置图表3 各方案流速变化比较表（单位：m/s ）百年一遇洪水，下边界高水位百年一遇洪水，下边界低水位 点号 距离/m 工程前 工程后 变化值 工程前 工程后变化值 备注v1 10 0.691 0.714 0.024 1.103 1.134 0.031v2 50 0.689 0.706 0.016 1.102 1.117 0.015 v3 100 0.686 0.696 0.010 1.099 1.104 0.005 v4 200 0.684 0.687 0.003 1.097 1.099 0.002桥墩上游河槽内布置点v5 -10 0.689 0.719 0.030 1.100 1.143 0.043v6 -50 0.685 0.711 0.026 1.092 1.124 0.031 v7 -100 0.680 0.704 0.024 1.085 1.112 0.027 v8 -200 0.677 0.698 0.021 1.087 1.109 0.022桥墩下游河槽内布置点v9 0.690 0.720 0.030 1.105 1.149 0.044v10 0.689 0.718 0.029 1.099 1.141 0.042 v11 0.678 0.704 0.026 1.072 1.113 0.040主桥孔内点v12 0.508 0.522 0.014 0.800 0.827 0.027 v13 0.234 0.249 0.015 0.183 0.207 0.024边桥孔内点 v14 0.618 0.472 -0.146 1.018 0.775 -0.243 v15 30 0.505 0.381 -0.124 0.675 0.527 -0.148桥墩上游正前v16 0.560 0.425 -0.135 1.032 0.808 -0.224 v17 -30 0.595 0.483 -0.112 0.852 0.720 -0.132 桥墩下游正前续表3 各方案流速变化比较表（单位：m/s ）50年一遇洪水，下边界低水位供 水 点号 距离/m 工程前 工程后 变化值 工程前 工程后 变化值 备注v1 101.020 1.050 0.030 -0.547 -0.571 0.024 v2 501.020 1.035 0.015 -0.544 -0.563 0.019 v3 1001.018 1.024 0.006 -0.540 -0.556 0.017 v4 2001.017 1.017 0.000 -0.539 -0.542 0.003 桥墩上游河槽内布置点v5 -101.017 1.057 0.040 -0.550 -0.575 0.025 v6 -501.010 1.040 0.029 -0.548 -0.567 0.018 v7 -1001.004 1.029 0.025 -0.546 -0.560 0.014 v8 -200 1.005 1.026 0.021 -0.541 -0.549 0.008 桥墩下游河槽内布置点 v9 1.022 1.063 0.041 -0.538 -0.565 0.027v10 1.016 1.055 0.039 -0.550 -0.578 0.028 v11 0.991 1.029 0.038 -0.547 -0.574 0.027主桥孔内点v12 0.735 0.755 0.020 -0.417 -0.432 0.015 v13 0.165 0.183 0.018 -0.222 -0.230 0.008边桥孔内点 v14 0.940 0.722 -0.218 -0.449 -0.353 -0.096 v15 30 0.628 0.494 -0.134 -0.325 -0.243 -0.082桥墩上游正前 v16 0.949 0.737 -0.212 -0.455 -0.334 -0.121 v17 -30 0.792 0.669 -0.123 -0.362 -0.259 -0.103桥墩下游正前上所述，大桥修建后对河道行洪及引水能力的影响较小。