桥梁建设对水动力的影响

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摘要： 依据桥梁的数学模型试验结果及资料，分析探讨了桥梁建设对桥区水动力的影响，结果表明，桥梁建设对水流的影响主要表现在桥墩附近，并且桥墩的存在对水流的影响具有双向性。涨落潮时桥墩的迎水面水位壅高，背水面水位降低，并且壅高和降低值随着距桥址距离的增加而减小。

Abstract： Based on the mathematical model test results and data of the bridge， the influence of the bridge construction on the hydrodynamic force is analyzed and discussed. The results show that the influence of the construction of the bridge on the water flow is mainly in the vicinity of the bridge pier and the influence of the bridge pier on the water flow is bidirectional. When tide flows and ebbs the surface of the water level increases， the back surface of the water level decreases， and the value of increase and decrease decreases with the increase of the distance between the bridge and the bridge.

关键词： 桥梁工程；水动力；数值模拟

Key words： bridge engineering；hydrodynamics；numerical simulation

中图分类号：U442.3 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）21-0091-02

0 引言

桥墩的存在缩窄了河道的过水面积，同时对行进水流产生干扰，使得桥墩的迎水面水位壅高，桥墩附近的局部流场受到干扰，局部绕流流态呈显著三维特性，主要表现为桥墩两侧流速增大，墩前墩后的流速则有所减小。在径流和潮流的双重影响下，流速涨落潮时都会出现一个极大值，而在高低潮位时，虽然出现水位的极值，但是流速几乎为零，桥墩影响可以忽略不计。因此在分析桥梁建设对潮流影响的问题时，我们通过讨论涨急和落急时刻桥墩对潮流的影响，从而总结出感潮河段桥梁工程水动力条件的一般规律。

本文依据温州某大桥的数学模型试验分析主桥墩对水流的影响以及流场等值线图，比对建桥前后水位及流速的变化来进一步论证建桥对周边水动力的影响。

1 桥墩概化方法

为精确地模拟桥墩的影响，必须要考虑桥墩的概化问题，模拟桥墩对水流的影响，桥墩概化是计算的关键。河流工程数值模拟中桥墩的概化通常有加糙法、地形折算法、等效阻水面积法以及局部加密法，由于工程中桥墩尺寸较大，因此我们选择局部加密法对桥墩进行概化处理。

主桥墩的网格划分标准为15m，桥墩存在时的网格划分如图1所示。三角形网格节点数为11687个，三角形单元数位22145个。

2 桥梁建设对水位的影响

桥梁建成后，桥墩上下游区域内的水位将会发生变化。涨潮时刻桥墩下游会发生壅水现象，上游水位则会相应地降低，落潮时刻则刚好相反。本文分别选择涨急时刻和的落急时刻来进行分析。分析了建桥前后的上下游距桥址200m、400m、和1km共六个断面来不同洪水水位的过程图。

表1给出了水位的变化值，从表中可以看出：

①涨潮时刻桥下游水位发生壅高，上游水位降低，落潮时候则相反，且距桥越远变化幅度越小。受下游潮汐的影响，桥墩的壅水部位会交替变化，这种现象也使河口水流区域区别于其它水域，因此，桥墩对水流的影响具有双向性。

②落急时刻的最大水位壅高为0.68m，涨急时刻的最大水位壅高为1.83m，因此可以看出，最大水位的壅高值涨急时刻是大于落急时刻的。

通过分析该桥梁建设对水位的影响可以看出，桥梁工程对一定范围内的水流会产生影响。由于该区域属感潮河段，因此水流受到上游径流和下游潮流的双重影响，水位在时间和空间上呈现出周期性规律变化。就时间而言，高低潮位时刻的流速较小，因此水位壅高也较小，而流速最大处的涨落急时刻，水位壅高也最大。就空间而言，桥墩的存在对水位的影响具有双向性，落潮时刻上游水位壅高，下游水位降低，涨潮时刻则是下游水位壅高上游水位降低。

3 桥梁建设对流速的影响

桥梁建成后，因其缩窄了河床的变化，破坏了之前天然状况下的流场，因此使得原有的流速分布发生变化，图3给出了工程前后涨落急时刻桥墩附近的流场图，图4为工程前后涨急时刻桥墩附近的流速等值线图。

从这些流场图中我们可以明显的看出：

①工程前后桥墩附近涨落潮的流速都发生了变化。工程实施前，桥区附近水流平缓，而工程实施后，桥区附近的水流变得不平稳，水流流态发生了晃动，水流的流速及流向都发生了较大的变化，越接近桥墩位置变化越为明显。

②从涨落急时刻的流速等值线图可以看出涨急时刻桥区周边的流速大于落急时刻桥区周边的流速，结合水位壅高值的分析可以看出，桥区周边的壅水高度和行进水流的流速大小有直接的关系。

4 桥梁影响改进措施

由于桥墩的存在使得涨落潮时上下游出现壅高和降低，使得流速在桥墩附近增加，同时，在涨落潮时也增加了水流流速。为了减小工程结构对该工况的影响，在保证结构安全的前提下采取以下措施：

①适当增加桥墩之间的距离，以减少桥墩数量，减少对水文影响。

②应当选择合适的桥墩结构形式，降低对流速的影响。

③合理确定桥梁选址，选择水流缓慢位置。

5 结语

①桥墩的存在对水流的影响具有双向性。这主要是由该河段非恒定往复流所决定的。涨落潮时桥墩的迎水面水位壅高，背水面水位降低，并且壅高和降低值随着距桥址距离的增加而减小，桥墩壅水高度随上游径流量的增大而增大。

②建桥对水流的影响主要表现在桥区附近，由于桥墩的导流作用使得主桥墩之间的流速增大，而且主桥墩附近的流速在涨落急时刻变化最为明显。

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