摘要：为研究姚江大桥拓宽改建对姚江大闸的流态影响，基于计算流体动力学理论，
分别建立了姚江大桥现状、双拓方案、单拓方案的大拓和小拓这四种情况下附近河段的二维计算流体动力学模型，运用某计算流体有限元软件，求解得到计算河段的流速场，从而分析各方案对姚江大闸的流态影响，为工程实施方案和类似工程提供参考。
关键词：流态影响分析；计算流体动力学；大桥拓宽
中图分类号：TV3 文献标识码：A
Analysis and Study on Influence of Yaojiang Bridge Widening and Reconstruction on Flow Pattern of Yaojiang Gate
XIE Rong-hui
（ANHUI KAIYUAN HIGHWAY AND BRIDGE CO., LTD. , Hefei 20088，China)
Abstract: To study the influence of the widening and reconstruction of Yaojiang Bridge on the flow pattern of Yaojiang Gate, Based on CFD theory, The two-dimensional computational fluid dynamic model of the nearby river section under the four conditions of the current situation of the Yaojiang Bridge, the double extension scheme, the single extension scheme and the large extension and small extension are established respectively. Used a computational fluid finite element software, Solve to get the calculated velocity field, In order to analyze the influence of each scheme on the flow pattern of Yaojiang Gate, Provided a reference for the project implementation plan and similar projects.
Keywords: Flow analysis; Computational fluid dynamics; Bridge widening
1 引言
环城北路（机场路~姚江东路）段现状为双6规模，现状姚江大桥双4规模，将成为交通瓶颈，需拓宽改造，姚江大桥规划红线宽44m，双6规模。现状姚江大桥边线距姚江大闸上游护坦距离仅4m，距闸室距离为42m，桥梁拓宽可能对现状水闸产生影响。
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图1.1 现状姚江大桥相对于姚江大闸位置示意图
对于姚江大桥的拓宽工程，提出了双拓（桥梁两侧拼宽）和单拓（桥梁单侧拼宽）两种拓宽思路，其中单拓思路提供两种拓宽方案（大拓、小拓）。姚江大桥各拓宽方案分别如下：
思路一：双拓（桥梁两侧各拼宽5.5m）
按规划红线断面改造，南北各拓宽5.5m，断面宽35.5m，两侧人非各6.5m，双向6车道。
思路二：单拓（桥梁单侧拼宽）
（1）方案一：大拓（桥梁向北侧拼宽16m）
往北拓宽16m，桥梁总断面宽40.5m，南北侧人非各6.5m，双向6车道。
（2）方案二：小拓（桥梁向北侧拼宽12.5m）
往北拓宽12.5m，桥梁总断面宽37m，南侧人非5m老桥断面利用，北侧人非6.5m。
本文对上述方案进行流态影响分析，分别建立了姚江大桥现状、双拓方案、单拓方案的大拓和小拓这四种情况附近河段的二维计算流体动力学模型，运用计算流体动力学模型原理[1-3]求解得到计算河段的流速场，进而分析各方案对姚江大闸的流速影响大小，从中择优选出对水闸影响最小的方案，保证工程的顺利实施。
2 非结构化网格剖分和计算初始条件确定
2.1 计算域范围和正交曲线网格的生成
此次数学模型计算范围为从姚江大闸上游162m处至下游120m处，河段总长约282m。为了较好反映河道地形，并满足流场计算精度要求，本模型根据研究问题的特点，采用正交等宽度网格[4,5]，纵横向网格最大宽度为2m。在靠近姚江大桥桥墩和姚江大闸闸墩附近区域采用加密网格[6,7]，加密网格纵横向最大宽度为0.5m左右。
2.2 计算工况
本次计算工况取用时采用大闸最大过闸流量1042.7m3/s，上游水位取用20年一遇设计洪水位2.71m，下游水位取用平均高潮位1.21m的偏不利泄流工况。
2.3 初始条件和边界条件
结合姚江大闸设计流量和设计水位情况，上游水位采用20年一遇设计水位2.71m，下游水位采用下游平均高潮位1.21m，过闸流量采用最大泄流量1042.7m3/s。再根据上下游河道断面形态，确定上游初始平均流速为0.8053m3/s，下游初始平均流速为1.2366m3/s。湍流强度取5%，湍流粘性比取10[8]。
3 计算结果及分析
计算河段各断面布置如图3.1所示，河段全局流速等值线图可见图3.2~3.5。
图3.1 观测断面布置图
图3.2 姚江大桥
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现状流速等值线图全局（单位：m/s）
图3.3 姚江大桥双拓方案流速等值线图全局（单位：m/s）
图3.4 姚江大桥单拓方案一流速等值线图全局（单位：m/s）
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图3.5 姚江大桥单拓方案二流速等值线图全局（单位：m/s）
根据上述计算结果，总结三个拓宽方案对姚江大闸及其附近河段的流场影响如下：
表3.1 三个拓宽方案对姚江大闸及其附近河段的流场影响比较表
比选方案
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左右岸流速小河床流速大的状态，且流速波动更显著 流态逐渐调整为平顺状态，
左右岸流速小河床流速大的状态 流态逐渐调整为平顺状态，
左右岸两侧流速略大于中间河床流速
综上本次二维流场影响研究分析，姚江大桥拓宽方案中单拓方案二对现状姚江大闸及其上下游河段的流速影响及紊动强度影响相对其他拓宽方案小，与现状流场形态较为接近。
4 小结
通过对各拓宽方案和现状模型各断面的流速流态分析，断面M1流速受拓宽方案影响很小，各状态流速差别不大；断面M2处各方案的主流流速呈现一定的差异性，双拓思路与现状流速最接近，对大桥桥墩处现状水流流态影响最小，单拓思路方案一流速偏大，相比现状流速增大将近0.1m/s，单拓思路方案二的流速呈现左右两岸比现状流速大，河床中间与现状流速较为接近的流态分布；断面M3各拓宽方案中单拓方案二整体流速最小，双拓次之，单拓方案一最大，且单拓方案二也较其他方案流速更平顺；断面M4各方案中双拓的紊动强度最大，断面流速变幅最大，单拓方案一次之，单拓方案二紊动强度相对最小，断面流速变幅最小；断面M5单拓方案二在左右岸两侧流速较大，中间河床流速较平稳，单拓方案一和双拓均呈现断面左右岸流速小河床流速大的状态，但双拓流速波动更显著。
综上本次二维流场影响研究分析，姚江大桥拓宽方案中单拓方案二对现状姚江大闸及其上下游河段的流速影响及紊动强度影响相对其他拓宽方案小，与现状流场形态较为接近。
参考文献
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作者简介：谢荣晖（1990-），男，安徽黄山人，硕士研究生，从事水利水电工程和路桥工程相关的研究、设计和施工工作。