橋墩施工懸浮物影響模型在跨江大橋中的應(yīng)用

橋墩施工懸浮物影響模型在跨江大橋中的應(yīng)用

近年來，隨著跨江通道項(xiàng)目的增多，對(duì)河流和河流的污染，尤其是橋梁下段結(jié)構(gòu)的施工階段，已成為評(píng)價(jià)環(huán)境的重點(diǎn)。本文采用三維水動(dòng)力模型對(duì)跨江大橋施工期的懸浮物運(yùn)動(dòng)規(guī)律及對(duì)長(zhǎng)江水質(zhì)影響進(jìn)行模擬計(jì)算。該方程由描述流速場(chǎng)、水位場(chǎng)及溫、鹽場(chǎng)的環(huán)流模式組成,應(yīng)用的前提基于兩個(gè)假設(shè):流體靜力學(xué)假定和Boussinesq近似。1三維水動(dòng)力模型的構(gòu)建1.1泥沙平流擴(kuò)散方程假定直角笛卡爾坐標(biāo)系統(tǒng)為x正方向向東,y正方向向北,z正方向向上。自由水表面在,床底在。為水平流速矢量,其分量為(U,V),Δ為水平梯度算子。則連續(xù)方程為Reynilds動(dòng)量方程為溫度、鹽度守恒方程如下3D泥沙平流擴(kuò)散方程如下式中,ρ0為參考密度;ρ為當(dāng)?shù)孛芏?g為重力加速度;P為壓力;KM為垂向渦動(dòng)粘性系數(shù);f為科氏系數(shù);θ,S為分別為溫度、鹽度;KH為渦動(dòng)擴(kuò)散系數(shù);C為懸浮物濃度;AH為懸浮物擴(kuò)散系數(shù)。模型采用2.5階湍能封閉模式,亞網(wǎng)格技術(shù)和內(nèi)-外模態(tài)分裂求解技術(shù)。1.2基于自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù)的模型求解由于長(zhǎng)江江岸邊界形狀復(fù)雜,為使計(jì)算邊界與岸線吻合,模型采用貼體自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù),通過求解橢圓型方程建立貼體坐標(biāo)系與直角坐標(biāo)系之間的變換關(guān)系,即,選擇泊松方程與Dirichlet條件進(jìn)行坐標(biāo)變換(2)模型配置貼體坐標(biāo)系下模型計(jì)算的曲線網(wǎng)格設(shè)置為100×25。網(wǎng)格空間步長(zhǎng)最小30m,最大180m;外模時(shí)間步長(zhǎng)為5s;內(nèi)模時(shí)間步長(zhǎng)為1s。2工程概況及評(píng)價(jià)本次模型應(yīng)用研究以南京長(zhǎng)江第四大橋水環(huán)境影響評(píng)價(jià)為例。該工程位于長(zhǎng)江南京河段的龍?zhí)端?河段屬感潮河段。水體的主要功能包括飲用水源、工業(yè)水源、通航、港口、碼頭及納污等。2.1基礎(chǔ)鉆孔出渣量該工程工可階段推薦橋型方案為2×958m三塔懸索橋方案,三塔基礎(chǔ)均采用鉆孔灌注樁。施工過程中北塔基礎(chǔ)鉆孔出渣量為13195m3,南塔基礎(chǔ)鉆孔出渣量為9847m3,中塔基礎(chǔ)鉆孔出渣量為29787m3。作業(yè)周期約為6個(gè)月,計(jì)183天。本次計(jì)算以每個(gè)索塔基礎(chǔ)施工點(diǎn)為一個(gè)點(diǎn)狀懸浮物排放源,懸浮物排放量與橋基挖泥方總量正相關(guān),懸浮顆粒物排放系數(shù)按5kg/m3計(jì)。2.2洪季模擬時(shí)段模型分別計(jì)算了洪、枯季3個(gè)潮周期的水動(dòng)力特征。枯季模擬時(shí)段為2004年2月22日10:00～25日10:00;洪季模擬時(shí)段為1999年8月2日16:00～5日16:00。研究區(qū)域枯季驗(yàn)證站位為石埠橋,潮位驗(yàn)證過程線見圖1,流速驗(yàn)證過程見圖2。由上圖可以看出,無論是水位,還是流速、流向,模型計(jì)算值與觀測(cè)值都吻合較好,可用于工程引起的懸浮物污染影響模擬計(jì)算。2.3水流流態(tài)分析龍?zhí)端栏髌诔绷鲌?chǎng)模擬結(jié)果如圖3～圖6所示(圖中x軸為經(jīng)度,y軸為緯度)。研究區(qū)域河道地形較為簡(jiǎn)單,石埠橋橋位處于主流從左岸向右岸的過渡段,深泓線擺幅較大。水流流態(tài)與水下地形結(jié)構(gòu)相適應(yīng),從圖3、圖4和圖6中可以看出,水流受深槽束縛,漲、落潮流主要沿?cái)[動(dòng)的深槽的流動(dòng),洪季由于上游下泄徑流強(qiáng)大,壓抑了下游潮流的上溯,水流表現(xiàn)為單向流;枯季則潮流作用相對(duì)較強(qiáng),由于狹長(zhǎng)河道地形制約水流流態(tài)呈現(xiàn)往復(fù)流動(dòng)。洪枯季不同的水流流態(tài)關(guān)系著污染物在不同季節(jié)的輸運(yùn)擴(kuò)散特征。2.4中間塔基0.0gm/l的增值濃度推薦橋型方案橋墩施工懸浮物影響預(yù)測(cè)計(jì)算結(jié)果見圖7、圖8。由圖7、圖8可以看出,北岸0.02mg/L增值濃度向上游最遠(yuǎn)至1.3km處,向下游2.8km處;中間塔基0.01mg/L增值濃度向上游最遠(yuǎn)至250m,向下游1.4km處;南岸施工點(diǎn)位置最大增值濃度不超過0.02mg/L,對(duì)上下游的影響極小。研究河道水流主要沿軸向往復(fù)流動(dòng),流速橫向分量較小,因此懸浮物沿河道橫向擴(kuò)散的距離較小,懸浮物增值濃度在橫向距離200m處不超過1mg/L?？偟恼f來,大橋樁基礎(chǔ)施工流失懸浮物隨漲落潮流向上、下游往復(fù)輸運(yùn),影響距離較小,尤其是橫向擴(kuò)散,影響十分微弱,SS對(duì)水質(zhì)影響是輕微的。3模型驗(yàn)證與材料驗(yàn)證本文將三維水動(dòng)力模型用于長(zhǎng)江區(qū)域江段的水流特征及懸浮物運(yùn)動(dòng)規(guī)律研究。通過對(duì)模型的驗(yàn)證和南京長(zhǎng)江第四大橋水環(huán)境評(píng)價(jià)中懸浮物污染影響的研究,可得到以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)和結(jié)論:(1)模型分別計(jì)算了洪、枯季3個(gè)潮周期的水動(dòng)力特征,并用2004年2月枯季時(shí)段及1999年8月洪季時(shí)段的實(shí)測(cè)潮位、流速、流向等資料進(jìn)行了模型驗(yàn)證,總體上看各物理要素的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值均符合良好,說明本模型能夠很好地用于工程引起的懸浮物污染影響模擬計(jì)算。(2)文中運(yùn)用該模型模擬計(jì)算了南京長(zhǎng)江第四大橋橋墩施工鉆渣泄漏懸浮物對(duì)長(zhǎng)江水質(zhì)的影響,計(jì)算結(jié)果表明大橋樁基礎(chǔ)施工流失懸浮物隨漲落潮流向上、下游往復(fù)輸運(yùn),影響距離較小,尤其是