桥墩施工悬浮物影响模型在跨江大桥中的应用

桥墩施工悬浮物影响模型在跨江大桥中的应用

近年来，随着跨江通道项目的增多，对河流和河流的污染，尤其是桥梁下段结构的施工阶段，已成为评价环境的重点。本文采用三维水动力模型对跨江大桥施工期的悬浮物运动规律及对长江水质影响进行模拟计算。该方程由描述流速场、水位场及温、盐场的环流模式组成,应用的前提基于两个假设:流体静力学假定和Boussinesq近似。1三维水动力模型的构建1.1泥沙平流扩散方程假定直角笛卡尔坐标系统为x正方向向东,y正方向向北,z正方向向上。自由水表面在,床底在。为水平流速矢量,其分量为(U,V),Δ为水平梯度算子。则连续方程为Reynilds动量方程为温度、盐度守恒方程如下3D泥沙平流扩散方程如下式中,ρ0为参考密度;ρ为当地密度;g为重力加速度;P为压力;KM为垂向涡动粘性系数;f为科氏系数;θ,S为分别为温度、盐度;KH为涡动扩散系数;C为悬浮物浓度;AH为悬浮物扩散系数。模型采用2.5阶湍能封闭模式,亚网格技术和内-外模态分裂求解技术。1.2基于自适应网格技术的模型求解由于长江江岸边界形状复杂,为使计算边界与岸线吻合,模型采用贴体自适应网格技术,通过求解椭圆型方程建立贴体坐标系与直角坐标系之间的变换关系,即,选择泊松方程与Dirichlet条件进行坐标变换(2)模型配置贴体坐标系下模型计算的曲线网格设置为100×25。网格空间步长最小30m,最大180m;外模时间步长为5s;内模时间步长为1s。2工程概况及评价本次模型应用研究以南京长江第四大桥水环境影响评价为例。该工程位于长江南京河段的龙潭水道,河段属感潮河段。水体的主要功能包括饮用水源、工业水源、通航、港口、码头及纳污等。2.1基础钻孔出渣量该工程工可阶段推荐桥型方案为2×958m三塔悬索桥方案,三塔基础均采用钻孔灌注桩。施工过程中北塔基础钻孔出渣量为13195m3,南塔基础钻孔出渣量为9847m3,中塔基础钻孔出渣量为29787m3。作业周期约为6个月,计183天。本次计算以每个索塔基础施工点为一个点状悬浮物排放源,悬浮物排放量与桥基挖泥方总量正相关,悬浮颗粒物排放系数按5kg/m3计。2.2洪季模拟时段模型分别计算了洪、枯季3个潮周期的水动力特征。枯季模拟时段为2004年2月22日10:00～25日10:00;洪季模拟时段为1999年8月2日16:00～5日16:00。研究区域枯季验证站位为石埠桥,潮位验证过程线见图1,流速验证过程见图2。由上图可以看出,无论是水位,还是流速、流向,模型计算值与观测值都吻合较好,可用于工程引起的悬浮物污染影响模拟计算。2.3水流流态分析龙潭水道各期潮流场模拟结果如图3～图6所示(图中x轴为经度,y轴为纬度)。研究区域河道地形较为简单,石埠桥桥位处于主流从左岸向右岸的过渡段,深泓线摆幅较大。水流流态与水下地形结构相适应,从图3、图4和图6中可以看出,水流受深槽束缚,涨、落潮流主要沿摆动的深槽的流动,洪季由于上游下泄径流强大,压抑了下游潮流的上溯,水流表现为单向流;枯季则潮流作用相对较强,由于狭长河道地形制约水流流态呈现往复流动。洪枯季不同的水流流态关系着污染物在不同季节的输运扩散特征。2.4中间塔基0.0gm/l的增值浓度推荐桥型方案桥墩施工悬浮物影响预测计算结果见图7、图8。由图7、图8可以看出,北岸0.02mg/L增值浓度向上游最远至1.3km处,向下游2.8km处;中间塔基0.01mg/L增值浓度向上游最远至250m,向下游1.4km处;南岸施工点位置最大增值浓度不超过0.02mg/L,对上下游的影响极小。研究河道水流主要沿轴向往复流动,流速横向分量较小,因此悬浮物沿河道横向扩散的距离较小,悬浮物增值浓度在横向距离200m处不超过1mg/L。总的说来,大桥桩基础施工流失悬浮物随涨落潮流向上、下游往复输运,影响距离较小,尤其是横向扩散,影响十分微弱,SS对水质影响是轻微的。3模型验证与材料验证本文将三维水动力模型用于长江区域江段的水流特征及悬浮物运动规律研究。通过对模型的验证和南京长江第四大桥水环境评价中悬浮物污染影响的研究,可得到以下几点认识和结论:(1)模型分别计算了洪、枯季3个潮周期的水动力特征,并用2004年2月枯季时段及1999年8月洪季时段的实测潮位、流速、流向等资料进行了模型验证,总体上看各物理要素的计算值与实测值均符合良好,说明本模型能够很好地用于工程引起的悬浮物污染影响模拟计算。(2)文中运用该模型模拟计算了南京长江第四大桥桥墩施工钻渣泄漏悬浮物对长江水质的影响,计算结果表明大桥桩基础施工流失悬浮物随涨落潮流向上、下游往复输运,影响距离较小,尤其是