京沪高速铁路跨阳澄湖特大桥不同施工方案下流场对比模拟研究

摘要：京沪高速铁路在苏州境内跨越阳澄湖，采用双排筑坝围堰施工。为了对比双排筑坝围堰施工和钢栈桥施工对阳澄湖西湖湖区流场的影响程度，通过采用Delft-3D可视水动力-水质联合模拟软件系统对流场进行模拟研究。结果表明，相对于双排筑坝围堰施工，栈桥施工对水体阻隔面积较小，对降低湖区流速的面积也相对较小，对阳澄湖水环境保护作用明显。

关键字：阳澄湖 京沪高速铁路 流场Delft-3D 软件模拟中图分类号：TQ639.2 文献标识码：A

1 引 言

京沪高速铁路是目前世界上一次建成线路最长、标准最高的高速铁路。阳澄湖是江苏省重要的淡水湖泊之一。京沪高速铁路特大桥分别跨越阳澄湖东、西、中湖区，湖中总长度约5.9km，共有181个墩位位于阳澄湖水中，采用双排筑坝围堰施工[1]。有必要加强京沪高速铁路施工期的环境影响研究，继而在理论上对施工行为造成的环境影响进行有效的控制。

2 研究现状

1973年，simons模拟了二维安大略湖冬季环流，其中谈及到了地球自转、非线性加速项、侧边界条件、底部地形、动量的侧边界扩散及不同底摩擦，并提到了三维流体力学方程[2]。2004年，楚敏明对阳澄湖现有存在的水质及流场的一些主要问题进行了简要分析，并提出了相应的措施[3]。

3 施工方案介绍

3.1 双排筑坝围堰施工方案

双排筑坝围堰施工方案施工工艺流程为：测量放样修筑围挡清淤泥打桩安装竹帘木桩纵横向连分次填筑堰芯土内外侧护坡填土围堰分仓分次抽水稳定观测围堰整修围堰养护围堰拆除清淤。

3.2 钢栈桥施工方案

钢栈桥宽4.5米，净宽4.0米。每150m在栈桥右侧设一长20m、宽3m的会车道。水中桩基采用搭设水中钻孔平台，桩位埋设钢护筒进行施工。钢栈桥、水中钻孔平台采用钢管桩基础，双排单层贝雷片桁架结构。

4 研究内容与技术路线

京沪高速铁路跨阳澄湖特大桥最终确立为“双排筑坝围堰”施工方案。本次研究主要模拟围堰施工期间阳澄湖流场的变化，并在相同条件下模拟栈桥施工对阳澄湖流场的影响，对比两种方案对流场影响的大小。

1、收集施工前的实测水文数值，对模型参数进行率定。

2、利用Delft 3D可视水动力-水质联合模拟软件系统进行围堰施工期和栈桥施工期的湖泊流场模拟，并对模拟结果进行对比分析。

5 Delft-3D软件及模拟参数选择

5.1 模型设置

Delft-3D是由荷兰水力研究院(Delft Hydraulics)开发设计的三维或二维可视水动力-水质联合模拟软件系统。Delft-3D flow模块是在浅水和Boussinesq假设下，建立不可压缩流Navier Stokes方程。其初始条件如下：在初始状态下（即当t=0的时候），流场静止。其表达式如下：

5.2 边界条件

1、湖岸边界条件：湖岸采用可滑移不可入条件，即岸边的法向流速为零。

2、进、出水口开边界条件：模拟采用实际进出水口流量资料，在进出水口设置开边界，采用流量-时间开边界形式。数值模拟要求进水总流量等于出水总流量。修正系数为，其中， 。

5.3 参数选择

1、F：Coriolsi系数取决于地理纬度和地球的自转角速度，取f=2sin=2*7.27*10-5*sin30.78°=7.44*10-5；

2、重力加速度g：取9.812m/s2；

3、水体密度：取1012kg/m3；

4、底部粗糙度n：采用manning公式，取n=0.028；

5、水平涡动粘性系数：计算调试后取值为10m2/s；

6、时间步长t：t=10min。

6 流场模拟结果与分析

6.1围堰、栈桥施工期间二维流场数学模型

图1 围堰施工期间流场流速等值线模拟结果(阶段1)

图2 栈桥施工期间流场流速等值线模拟结果(阶段1)

图3 围堰施工期间流场流速等值线模拟结果(阶段2)

图4 栈桥施工期间流场流速等值线模拟结果(阶段2)

图5 围堰施工期间流场流速等值线模拟结果(阶段3)

图6 栈桥施工期间流场流速等值线模拟结果(阶段3)

图7 围堰施工期间流场流速等值线模拟结果(阶段4)

图8 栈桥施工期间流场流速等值线模拟结果(阶段4)

6.2围堰、栈桥施工二维流场影响对比

从阶段1的结果可以看出，各出入口流速两者大致相同。湖中部狭窄咽喉附近，栈桥期间0.008m/s的流速区域面积相对围堰期间较大。西南区域，栈桥期间0.004m/s的流速区域面积相对围堰期间较大。靠近施工段出口处，栈桥期间0.004m/s的流速区域面积相对围堰期间较大。

从阶段2的结果可以看出，各出入口流速栈桥期间的较大。湖中部狭窄咽喉附近，栈桥期间的流速较大。西南区域，栈桥期间0.003m/s的流速区域面积相对围堰期间较大。靠近施工段出口处两者差别不大。

从阶段3的结果可以看出，各出入口两者差别不大。湖中部狭窄咽喉附近两者差别不大。西南区域，栈桥期间0.004m/s的流速区域面积相对围堰期间较大。靠近施工段出口处两者差别不大。

从阶段4的结果可以看出，各出入口栈桥期间流速较大。湖中部狭窄咽喉处，栈桥期间流速较大。西南区域两者差别不大。靠近施工段出口处，栈桥期间流速较大。

7 结 论

研究针对京沪高铁跨阳澄湖大桥两种施工方案—双排筑坝围堰施工方案和钢栈桥施工方案，对原有的湖区流场可能产生影响，展开相关研究，从而掌握大桥施工对阳澄湖流场的影响规律。研究采用Delft-3D可视水动力-水质联合模拟软件系统对大桥施工过程中的流场进行模拟，模拟施工四个阶段二维流场。对比分析了围堰施工与栈桥施工过程中流场变化情况与流场影响大小。通过分析，得出如下结论：

1、围堰的施工改变了阳澄湖西湖的流场，具体表现在：对湖区整体流向没有改变，但对局部区域的流速产生了影响。出入口处的流速变化不大。主要原因是围堰施工对原始流场产生截断，从而原有流程变短，流速变小。同时由于围堰的修建，产生了局部的死角区域，在死角区域最容易产生流速较小的现象。因此，围堰施工对原始流场产生较大影响。

2、对比栈桥施工与围堰施工，栈桥及围堰施工都是对局部区域的流速产生了降低影响。但围堰施工相对栈桥施工对局部区域的流速降低量更大，主要原因是栈桥施工只是位于水中的桥墩对水流产生小部分的阻隔，而围堰施工是对施工附近水域进行了整体阻隔，且阻隔面积围堰施工相对较大；同时围堰的修建方式更容易形成死角区域，从而使局部流速降低。因此，围堰施工相对栈桥施工对原始流场的影响较大。

参考文献：

席英伟,付永胜.京沪高速铁路跨阳澄湖特大桥不同施工方案SS浓度场模拟研究[J]. 四川环境,2012, 31(1):12-16.

Simons T J.Development of three-dimensional numerical model of Great Lakes[J]. Science Citation Index,1973,12:269.

楚敏明.浅议保护阳澄湖水质的对策措施[J].环境水利, 2004, (12):36-37.