连续跨河桥梁的河道水动力特性模拟

Hydrodynamic Characteristics of River with Continuous River-Crossing Bridges Simulation

摘要: 本文以安徽省蚌埠市淮河干流的四座连续跨河桥梁为例，使用HEC-RAS建立蚌埠闸下至临淮关上游10 km之间河段的一维水动力数值模型，模拟计算三种设计工况下各桥梁的壅水值及流速值。结果表明：HEC-RAS一维水动力模型能很好地再现连续桥梁的水动力特性过程，河道水位模拟值与实测值的水位误差在1 cm左右，表明该模型能较好反映河道洪水的实际运动情况；四座桥梁的壅水值都随河道流量的减小而减小，三个模拟计算工况下桥梁壅水值在0 m~0.026 m范围内；桥下断面平均流速均大于桥梁上游断面平均流速，断面平均流速的增幅随河道流量的减小呈现出减缓的趋势，断面平均流速增大值均在0.04 m/s以内。

Abstract: This article takes four consecutive river-crossing bridges along the main stream of the Huai River in Bengbu City, Anhui Province, as an example. It uses HEC-RAS to establish a one-dimensional hydrodynamic numerical model for the river section between the Bengbu Dam and the upstream of Linhuai Pass over a distance of 10 km, simulating and calculating the water blockage values and flow velocity values at each bridge under three design conditions. The results show that the HEC-RAS one-dimensional hydrodynamic model can effectively reproduce the hydrodynamic characteristics of continuous bridges. The simulated water level in the river channel shows an error of about 1 cm compared to the measured values, indicating that the model can accurately reflect the actual movement of river floods; the water blockage values at the four bridges decrease as the river flow diminishes, with water blockage values under the three simulated conditions ranging from 0 to 0.026 m; the average flow velocity under the bridge section is always greater than that of the upstream section, and the increase in average flow velocity shows a tendency to slow down as the river flow decreases, with increases in average flow velocity remaining within 0.04 m/s.

1. 引言

跨河桥梁的桥墩对水流产生干扰，同时减小了桥下过流断面的面积，水流流线在桥梁的上游形成收缩，下游形成扩散，加上桥体本身的阻力等因素，形成桥梁上下游的水位差，即造成了桥梁壅水[1] [2]。另外涉水桥墩的建设会改变其周围河道断面的水流速度，造成水流对桥墩的冲刷，从而降低桥墩的耐久性[3] [4]。

关于桥梁壅水值的计算，在防洪评价工程中因理论经验公式具有参数少、计算简单快捷的优点，故普遍采用经验公式法进行计算[5]-[7]。近代以来随着计算机技术的快速发展，国内外水利工程方向的研究人员更倾向于采用数值模拟法，通过建立相应研究区域的水动力数值模型进行桥梁壅水的计算。而水动力数值模型的优势在于它不仅可以计算桥梁壅水，还可以得到桥梁桥址附近的水流速度，从而能对桥下断面河流的水动力特性变化进行分析。现如今我国学者大多使用HEC-RAS、MIKE21等代表性软件建立一维或二维水动力模型，例如任梅芳[8]通过使用MIKE21建立南渡江流域六座连续跨河桥梁的二维水动力模型模拟桥前壅水值，并与三种理论经验公式计算结果进行对比，重点讨论了桥梁壅水值随不同工况下河道内流量减小的变化机理。Xianqi Z [9]侧重于研究桥墩数量对河道水流形态的影响，通过建立MIKE21二维水动力模型分析不同桥墩数量下桥梁壅水高度、墩前流速以及流场的变化机理。孟如真[10]在使用HEC-RAS模拟计算拟建大桥的桥梁壅水值时，设置了三个小流量洪水工况，最终得到的桥梁壅水结果趋近于零。

以上研究虽都通过建立水动力模型对连续跨河桥梁的桥前壅水值进行模拟计算，但均未考虑桥梁建设是否会对桥下断面的平均流速产生影响。另外在河道水流流量较小时，涉水桥墩的建设对河道水流水动力特性的改变并不明显，而在大流量洪水条件下却十分显著[11]-[13]。因此有必要考虑大洪水流量下河道连续跨河桥梁对桥下断面河道水动力特性的影响。本文以淮河干流四座桥梁为例，通过采用HRC-RAS建立蚌埠闸至临淮关之间河段的一维水动力数值模型，模拟不同工况下各桥梁桥址处水动力特性的变化，为实际工程中桥梁的设计、桥下断面河床的冲刷以及工程建设范围内河道的防洪减灾提供一定的参考价值。

2. HEC-RAS模型简介

HEC-RAS是由美国陆军工程兵团工程水文中心(HEC)开发的河道水力计算程序，其核心算法是基于经典水文学与水力学理论构建。HEC-RAS目前的模拟能力包括河道一维恒定流，一维/二维非恒定流和一维泥沙输移/水质模型[14]。此外还支持坝，堰，堤，桥梁，涵管，闸门等水工建筑物的水力建模模拟，特别适用于具有明确几何边界条件的天然河道水力特征分析[15]。在HEC-RAS软件中桥梁的水力计算有能量平衡法、动量平衡法、Yarnell公式法和WSPRO等四种方法，在模拟时根据河道不同的情况可选用不同的方法。针对本文目标桥梁所在河段开展研究时发现：河道内水流状态稳定，且河道内未发现显著阻水障碍物。基于以上水力要素特征，本次水力计算采用简化处理方式，将设计洪峰流量概化为恒定流量进行模拟分析。HEC-RAS在恒定流模拟时采用能量守恒方程进行计算，能量法基于伯努利能量方程，能够综合考虑断面间的水位差、流速变化及能量损失，适用于河道坡度平缓、水流状态稳定的河段。HEC-RAS其一维能量方程式如下所示：

$Z_1+Y_1+\frac{{\alpha }_1{v}_1^2}{2g}=Z_2+Y_2+\frac{{\alpha }_2{v}_2^2}{2g}+h_e$ (1)

$h_e=h_f+h_j=L\cdot \overline{S_f}+C\left|\frac{a_2{v}_2^2}{2g}-\frac{a_1{v}_1^2}{2g}\right|$ (2)

式中：$Z_1$ 、$Z_2$ 为上下游断面河底高程，m；$Y_1$ 、$Y_2$ 为上下游断面河道水深，m；v₁、v₂为上下游断面平均流速，m/s；α₁、α₂为动能校正系数；g为重力加速度；$h_e$ 为工程阻水造成的上下游断面间的水头损失，包括沿程水头损失$h_f$ 和局部水头损失$h_j$ ，以及由于涉水桥墩阻水造成的水头损失；$S_f$ 为上下游断面之间沿程水头损失梯度；L为流量加权系数；C为断面扩张或收缩系数[16]。

3. 研究区概况与数据来源

Figure 1. Conceptualized map and satellite image of the simulated river section

图1. 研究区域概况图与卫星图

淮河发源于河南省南阳市桐柏县桐柏山太白顶西北侧河谷，淮河干流自西向东流经湖北、河南、安徽、江苏四省，最终于江苏省扬州市三江营汇入长江水系，流域地跨湖北、河南、安徽、江苏、山东五省[17]。本文研究区域为蚌埠市龙子湖区内的淮河干流河段，位于北纬32˚56′，东经117˚23′，地处安徽省的北部，该河段概况与区域卫星图如图1所示。

本文利用HEC-RAS一维水动力模型，分别构建蚌埠龙子湖区内淮河干流蚌埠闸下至临淮关上游10 km河段内四座桥梁的数值模型。四座桥梁自上游往下分别为解放路淮河大桥、淮宿蚌城际铁路淮河大桥、京沪高铁淮河大桥和司马庄淮河大桥，其中司马庄淮河大桥为拟建大桥。模型中各桥梁的相关参数如表1所示。

Table 1. Parameters of bridges

表1. 桥梁相关参数表

桥梁名称	桥型	跨河处桥梁全长/m	桥梁全宽/m	桥梁间距/m	涉河桥墩数	墩径/m
解放路淮河大桥	混凝土梁斜拉桥	820	19.5	-	12	3.1、10.5
淮宿蚌城际铁路 淮河大桥	矮塔斜拉桥	868	12.5	1900	10	8.9
京沪高铁淮河大桥	连续梁桥	940	12.6	1142	15	7
司马庄淮河大桥	系杆拱桥	1042	42	858	14	8、14

4. HEC-RAS模型建模

4.1. 河道桥梁概化

采用淮干航道整治实测河道地形资料，HEC-RAS模型对蚌埠闸下至临淮关上游10 km之间的河段及桥梁进行概化处理，河道断面与桥梁位置概化图如图2所示。一维水动力模型共设置15个断面，其中1断面为模型上边界，11断面为模型的下边界，2断面吴家渡水文站为本模型的率定断面。另以其中解放路淮河大桥为例，3、4断面进行桥梁上游与下游30 m处的水位高度、水流速度等水文特征参数模拟，3.5断面设置与桥梁位置相距0.001 m，用于模拟计算桥梁桥址处的相关水文特征参数，其他剩余三座大桥也采用相同的概化方式。

Figure 2. Generalized diagram of river section and bridge location

图2. 河道断面与桥梁位置概化图

4.2. 模型率定与验证

选择2020大洪水年水文资料(流量为8250 m³/s)和2024年7月17日08时的实测水文资料(数据链接：http://www.bengshan.gov.cn/zfxxgk/public/49611/52065805.html)对模型糙率参数进行率定，2断面吴家渡水文站的模拟水位与实测水位的对比结果见表2，模拟水位与实测水位之间的误差均在1 cm左右，该一维模型较好的再现了本河段洪水运动的实际情况，最终确定HEC-RAS模型中主河槽糙率为0.021，滩地糙率为0.031，此模型可用于后续连续跨河桥梁不同工况下的水动力特性数值模拟。

Table 2. Simulation verification results table

表2. 模型率定成果表

水文站	实测流量/(m^3·s^−^1)	实测水位/m	计算水位/m	绝对误差/m
吴家渡	8250	20.400	20.415	0.015
	6950	18.960	18.968	0.008

4.3. 模型计算工况

根据淮河流域的水文特征，本文选用三种代表性的设计工况，分别为淮河干流蚌浮段的防洪标准洪水(百年一遇)工况，规划中等洪水工况以及常遇洪水工况。模型设计工况及边界条件具体如表3所示。

Table 3. Boundary conditions for the model

表3. 模型边界条件控制表

设计工况	上边界流量/(m^3·s^−^1)	下边界水位/m
100年一遇	13000	22.06
规划中等洪水	10500	21.58
常遇洪水	8000	20.50

5. 模拟结果分析

5.1. 水位模拟结果

不同工况下桥梁的壅水计算结果见表4，整体对比见图3。由表4可知，不同设计工况下河道内流量不同，桥墩前的壅水值也不同。具体表现为随着洪水标准的增大、河道内流量的增加，桥前壅水值逐渐增大。而在同种工况下，各个桥梁由于所处位置、涉河桥墩数量以及桥墩大小的不同，对应的桥梁壅水值也略有差异。100年一遇洪水工况下，桥前壅水值变化范围在0.01 m~0.02 m之间；规划中等洪水工况下，桥前壅水变化范围在0.01 m~0.015 m之间；常遇洪水工况下，桥前壅水变化范围在0 m~0.012 m之间。根据图3可知，三个模拟计算工况下的最高壅水值均出现在淮宿蚌城际铁路淮河大桥，最低值均出现在解放路淮河大桥。根据模拟结果并结合表1中桥梁距上游距离分析，解放路淮河大桥与淮宿蚌城际铁路淮河大桥之间的距离为1900 m，因此解放路淮河大桥下游的三座连续桥梁对其产生的壅水影响可以忽略不计，该桥梁在三个设计工况下的壅水值均在1 cm左右。闫杰超[18]在模拟分析桥梁群中桥梁间距因素对壅水影响时所得出的结论进一步验证了这一结果。而所研究的后三座桥梁之间桥梁间距在1000 m左右，桥梁壅水值受到近距连续桥梁之间的影响，由图3可知三座近距连续桥梁中淮宿蚌城际铁路淮河大桥的壅水值达0.02 m，故而多座近距连续桥梁会使上游桥梁的壅水值增大，这一结果与闫杰超[18]关于桥梁座数影响壅水的结论一致。

因此在桥梁工程建设时，不仅要对大洪水工况下桥梁断面处的水动力特征进行重点研究，同时需考虑拟建桥梁是否会使其上游近距连续桥梁的壅水高度增大，必要时应对已建桥梁附近的河床、岸坡重新进行冲刷淤积计算及岸坡稳定分析。

Table 4. Simulated values of water pressure for each bridge under different working conditions

表4. 不同工况下各桥梁壅水模拟值

桥梁名称	设计工况	桥下断面处水位/m	桥梁下游处水位/m	桥前壅水值/m
解放路淮河大桥	100年一遇	22.450	22.449	0.001
	规划中等洪水	21.873	21.872	0.001
	常遇洪水	20.736	20.736	0
淮宿蚌城际铁路淮河大桥	100年一遇	22.161	22.141	0.02
	规划中等洪水	21.653	21.638	0.015
	常遇洪水	20.555	20.543	0.012
京沪高铁淮河大桥	100年一遇	22.115	22.104	0.011
	规划中等洪水	21.619	21.611	0.008
	常遇洪水	20.528	20.522	0.006
司马庄淮河大桥	100年一遇	22.083	22.064	0.019
	规划中等洪水	21.595	21.581	0.014
	常遇洪水	20.508	20.499	0.009

Figure 3. Comparison of water pressure values of each bridge under different working conditions

图3. 不同工况下各桥梁壅水值对比

5.2. 流速模拟结果

不同工况下各个桥梁的断面平均流速模拟成果如表5所示。通过对比桥梁上游断面与桥下断面的平均流速差可知，水流经过桥址处的流速都会略微增大，桥下断面平均流速增幅均在0.04 m/s以内。由图4可知，随着防洪要求的提高，河道内流量的增大，断面平均流速差值呈增大趋势。三种工况条件下，断面平均流速的最高值均出现解放路淮河大桥，其中在100年一遇工况下断面平均流速差值达0.04 m/s。在实际工程应用中，桥下断面水流速度的大幅增大，会使得桥梁处水流裹挟泥沙的能力也随之增大，这将会造成桥下断面河床的冲刷，因此在桥梁工程建设时应重点考虑大洪水流量条件下桥梁断面平均水流速度的变化。

Table 5. Simulated flow velocity in front of each bridge pier under different working conditions

表5. 不同工况下各桥梁墩前流速模拟值

桥梁名称	设计工况	桥梁上游断面平均流速/(m·s^−^1)	桥下断面平均流速 /(m·s^−^1)	断面平均流速差值 /(m·s^−^1)
解放路淮河大桥	100年一遇	1.38	1.42	0.04
	规划中等洪水	1.17	1.20	0.03
	常遇洪水	0.99	1.01	0.02
淮宿蚌城际铁路淮河大桥	100年一遇	1.81	1.83	0.02
	规划中等洪水	1.56	1.57	0.01
	常遇洪水	1.38	1.38	0
京沪高铁淮河大桥	100年一遇	1.67	1.68	0.01
	规划中等洪水	1.42	1.43	0.01
	常遇洪水	1.24	1.24	0
司马庄淮河大桥	100年一遇	1.45	1.47	0.02
	规划中等洪水	1.24	1.25	0.01
	常遇洪水	1.08	1.09	0.01

Figure 4. Comparison of average flow velocity increase at the bridge section

图4. 桥下断面平均流速增值对比

6. 结论

(1) 本次研究选取淮河干流蚌浮段防洪标准洪水、规划中等洪水和常遇洪水三种设计工况下的水位流量数据对HEC-RAS一维水动力模型的边界条件进行设置，采用实测洪水资料对河道糙率进行率定与验证。模拟水位与实测水位差在1 cm左右，表明该河段模型仿真度较好。

(2) 通过三种工况下多连续桥梁的模拟分析可知，随防洪要求的提高，河道内流量的增加，桥址处会出现不同程度的水位壅高以及流速增大的水文特性。随河道流量增大桥梁壅水高度增大较为明显，桥址处水流速度的变化幅度相对平缓。100年一遇工况下，桥梁壅水高度最高达0.02 m，桥梁断面平均流速增值最高为0.04 m/s。另外桥梁间距越大，桥群阻水效应越小，而下游桥梁的建设会使上游近距连续桥梁的壅水值增大。

(3) 本次对淮河干流多连续桥梁河道水动力特性模拟过程中，采用HEC-RAS模型深入分析了桥前壅水高度和桥下断面流速的变化特性，下一步拟开展桥梁的桥墩形状、间距及数量对桥梁壅水的影响研究。

基金项目

矿井水害探查与预警工程研究中心开放基金(高潜水位采煤沉陷区水资源循环模拟研究)，编号：2024-CIERC-08。

NOTES

^*通讯作者。