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摘要：為準確評估山區復雜工況條件下斜交橋梁對河流行洪的影響，建立MIKE21FM水動力模型，以擬建浮渡河大橋為例，分析不同頻率設計洪水條件下斜交橋梁對河流水位及流速的影響。結果表明，急流條件下橋梁對河道水位壅高的影響較緩流條件下要大，并且隨著斜交角度的增加而增加，在橋梁設計過程中應盡量保持橋梁軸線與水流方向正交，以減小橋墩對河道行洪的影響；擬建浮渡河大橋能夠使河道水位壅高，橋下流速越大，并且隨著洪峰流量的增大，水位壅高和流速增加越明顯；受水流流態及斜交角度的影響，楊家溝鐵路橋處水位壅高及流速增加均大于下游陳屯鐵路橋；斜交橋梁對山區河流行洪影響需要引起重視。

關鍵詞：斜交橋梁；山區河流；MIKE21FM；洪水；影響

隨著社會經濟的發展，跨河橋梁建設的數量和規模越來越大，橋梁形式也越來越多樣化。在跨河橋梁設計中，受地形、河流形態及施工條件的限制，往往造成路線與河道斜交，此時將橋梁結構布置成斜交橋的形式經濟效益更為顯著，如海口榮山河并聯斜交橋，合共高速公路大橋，寧安鐵路橋等［1－3］。跨河橋梁由于橋墩和橋臺的束窄阻水效應，使水流流態發生變化，改變了河道的過流能力，特別是在橋位斜交的情況下，由于上下游橋墩之間相互干擾，阻水效應更加明顯，對河道行洪的影響較正交情況下更為復雜［4］。山區河流由于河道窄、坡降陡，洪水呈現陡漲陡落的特性，跨河橋梁對河道行洪的影響往往比平原地區要大。目前在研究斜交橋梁對河道行洪能力影響時，通常是將橋下凈過水面積等于斜交橋天然過水面積在正交斷面上的投影與斜交橋橋墩在正交斷面上的投影之差來考慮。按照這種方法，隨著斜交角度的增加，投影在正交斷面上的橋墩面積也越來越大，橋下凈過水面積可能接近于零，由此求得的橋前壅水高度很大，往往與實際情況不符［5－6］。目前關于斜交橋梁對山區河流行洪影響的研究主要分為模型試驗和數值模擬，采用模型試驗的方法往往費時費力，而數值模擬是一種方便可靠的途徑［7］。MIKE21FM是丹麥DHI公司開發的平面二維表面流模型，在大型工程影響評估中得到了廣泛應用［8－12］。本文通過建立MIKE21FM模型，分析不同頻率洪水條件下橋梁附近水位及流場的變化，以準確評估復雜工況條件下斜交橋梁對山區河流行洪的影響。

1研究區域概況

擬建橋梁所在河流浮渡河（N39°57′45″～40°06′37″，E122°18′44″～122°56′46″）是大連、營口兩市的界河，流域面積466km2，主河道長43．6km，下游為平原地區，中上游為山區、丘陵地帶。擬建橋梁位于浮渡河上游李劉溝至許屯鎮段，中間有腰屯河匯入，河道蜿蜒曲折，平均比降6．01‰。兩岸堤防標準為10a一遇，當遇到超標準洪水時，很容易發生漫堤，對兩岸人民生產生活造成嚴重影響。該研究中擬建跨河橋梁是大連市許家屯至太平灣疏港鐵路新建工程的一部分，主要包括楊家溝鐵路橋和陳屯鐵路橋，其中陳屯鐵路橋由疏解線大橋、沈大線大橋和浮渡河4號大橋組合而成。楊家溝鐵路橋和沈大線大橋為雙線柱式橋墩，疏解線大橋和浮渡河4號大橋為單線柱式橋墩，橋墩間距除浮渡河4號大橋為24m外，其余間距均為32m。本研究所在河段屬于典型的山區河流，受地形及線路布設的影響，擬建橋梁均以斜交形式跨越河流。其中楊家溝鐵路橋斜交角度為62°，疏解線大橋、沈大線大橋和浮渡河4號大橋斜交角度分別為33°、24°和10°。

2模型構建

2．1網格剖分MIKE21FM模型在平面上采用非結構化網格模型，通過有限體積法（FVM）進行求解［11］。利用模型中自帶的非結構網格生成器對研究區地形進行剖分，生成模型計算所需的網格文件。模型計算區域共計5．74km2，最大網格面積不超過0．001km2，擬建橋梁處進行加密處理。本研究共計生成32159個非結構化網格。剖分完成后，采用實測1∶2000地形圖進行插值，并用1∶10000地形圖進行校正。

2．2模型邊界確定模型邊界包括模型上下游邊界及下墊面糙率等。模型計算區域位于浮渡河上游山區丘陵地帶，集水面積約200km2，因為流域內未設水文測站，屬于無資料地區，故設計洪水采用98版《遼寧省中小河流（無資料地區）設計暴雨洪水計算方法》中所推薦的推理公式遼寧法推求浮渡河干流及支流腰屯河設計洪峰流量及洪水過程線［14］，洪峰流量計算見表1。將計算得到的10a一遇、20a一遇及50a一遇干支流設計洪水過程線作為模型上邊界。下邊界因為缺乏實測資料，根據實際地形及曼寧公式計算得到下游邊界處的水位流量關系曲線。糙率值參考文獻［11］中的糙率確定方法［15］，根據河流河床有水草、灘地面積大、主槽較窄，水流不夠順暢，且現狀河道底部不平整等情況綜合考慮，確定整段河道主槽糙率取值為0．027，灘地糙率取值為0．04。

2．3橋墩處理MIKE21FM模塊對橋墩的處理方法有附加阻力法和加密網格法［16］。附加阻力法是通過增加橋墩所在單元的拖曳力來考慮橋墩對水流作用的影響，這種情況下橋墩對水流的阻力被均勻地分攤到橋墩所在的單元格上；加密網格法是對橋墩所在區域進行加密，將橋墩處地形進行拔高，使橋墩所在區域完全阻水進行考慮［17］。本研究采用與實際情況更為接近的加密網格法來模擬橋梁橋墩對河道行洪的影響。

2．4模型驗證與工況設計浮渡河流域內沒有水文站，缺乏實測水位流量資料進行驗證，因此將MIKE21FM模型計算10a一遇水面線結果與2016年大連市水利建筑設計院利用試算法推求的水面線進行對比，結果如圖2所示。由圖中可以看出模型計算結果基本滿足水面線相似要求，說明模型構建合理，可以用于橋梁對河道行洪影響分析。利用10a一遇洪水計算結果對橋址處水流流態進行分析，楊家溝鐵路橋所在河段弗勞德數Fr＝1．13＞1，水流形態為急流。陳屯鐵路橋所在河段弗勞德數Fr＝0．10＜1，水流形態為緩流。為研究水流形態山區河流行洪影響，采用單線柱式橋墩，在10a一遇設計洪水條件下，設置楊家溝段和陳屯段橋梁斜交角度為0°，對比不同流態下橋梁的壅水特性；為研究橋梁斜交角度對山區急流條件下河道行洪的影響，分別令楊家溝段橋梁斜交角度為0°、15°、30°和45°，分析不同斜交角度下橋梁雍水高度，對比不同斜交角度下橋梁壅水特性。最后按照橋梁實際設計情況，對擬建楊家溝鐵路橋和陳屯鐵路橋壅水特性及流速流態進行模擬，分析對河道行洪的影響。

3結果分析

3．1不同流態和斜交角度對水位壅高的影響10a一遇洪水條件下不同流態和斜交角度對水位壅高的影響。計算結果可以得到，水流流態對水位壅高影響較大，急流情況下水位壅高值要大于緩流情況下水位壅高值。分析其中原因，當水深相同時，急流流速往往要大于緩流流速，即水流所具有的動能較大。當水流遇到橋墩阻攔時，水流動能轉化為勢能，所以急流條件下水位壅高要大于緩流條件下水位壅高。對急流條件下不同斜交角度水位壅高結果進行分析可得，斜交角度越大，水位壅高越大。主要是因為在跨度相同情況下，斜交角度越大，河道中橋墩越多，投影在正交斷面上的橋墩面積越大，橋下凈過水面積越小，影響河道過流能力，會導致壅水增加［16］。所以橋梁設計時應盡量使橋梁軸線與水流方向正交，以減小水位壅高對河道防洪帶來的不利影響。

3．2擬建橋梁對河流行洪的影響從防洪安全中最為關注的水位和流速兩個方面來評估擬建橋梁對河流行洪的影響。擬建橋梁對洪水水位的影響如圖3和表3所示。由圖3中可以看出，橋墩阻水效應明顯，墩前水位較同一斷面其他位置要高，并且不同橋墩之間存在疊加效應。由表3中計算結果可以看出，10a一遇、20a一遇和50a一遇洪水條件下楊家溝鐵路橋橋址處水位分別壅高0．31m、0．40m和0．68m，陳屯鐵路橋橋址處水位分別壅高0．18m、0．27m和0．31m。隨著洪峰流量的增大，壅水高度也逐漸增大。由前文分析可知，山區河流橋梁壅水高度與水流流態和斜交角度均有關系，水流越急，橋梁斜交角度越大，水位壅高越明顯。上游楊家溝鐵路橋水流流態為急流，且斜交角度大于下游陳屯鐵路橋，所以壅水高度較陳屯鐵路橋要大。

4結論

針對山區河流橋梁斜交的復雜工況，建立MIKE21FM模型，分析斜交橋梁在不同頻率洪水下對山區河流水位及流速的影響，結果表明：（1）水流流態對橋梁壅水有較大的影響，急流條件下橋梁壅水效應要大于緩流條件下橋梁壅水效應；在橋墩間距相同條件下，斜交角度越大，橋梁壅水高度越大，橋梁設計時應盡量使橋梁軸線與水流方向正交，以減小水位壅高對河道防洪帶來的不利影響。（2）受水流流態和斜交角度的影響，楊家溝鐵路橋處水位壅高和流速增加均大于下游陳屯鐵路橋。斜交橋梁對山區急流條件下河道行洪影響需要引起重視。

作者：秦國帥1，許士國1，李文生2，劉1 單位：1．大連理工大學，2.大連市水利建筑設計院