仙居縣城防工程堤線(xiàn)布置優(yōu)化數(shù)值模擬

張金委,王 斌

(1.浙江省仙居新區(qū)開(kāi)發(fā)管委會(huì),浙江 仙居 317300;2.浙江省水利河口研究院,浙江 杭州 310020)

1 問(wèn)題的提出

仙居縣位于浙江省東南部,縣城位于永安溪中游河谷平原。仙居縣城城市防洪工程擔(dān)負(fù)著縣城的防洪、排澇等任務(wù),工程實(shí)施后城區(qū)的防洪標(biāo)準(zhǔn)從現(xiàn)狀的5 a一遇提高到近期20 a一遇,遠(yuǎn)期50 a一遇,從而進(jìn)一步保證仙居縣社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展。

該工程主要項(xiàng)目包括永安溪和盂溪左右岸防洪堤建設(shè)、安洲河段河道裁彎取直及劈山高邊坡處理、永安溪河道整治、安洲橡膠壩以及三橋溪排澇閘等6座防洪引水閘建設(shè)(見(jiàn)圖1)。其中,永安溪石牛村附近左岸石牛大橋至大圣寺防洪堤全長(zhǎng)約850 m。根據(jù)規(guī)劃,該堤線(xiàn)橫穿石牛村村莊和基本農(nóng)田區(qū)域,同時(shí)需對(duì)石牛大橋左側(cè)引橋進(jìn)行2孔擴(kuò)孔(約65 m),對(duì)當(dāng)?shù)鼐用裾Ｉ钜约肮こ陶鞯夭疬w帶來(lái)較大困難。為減少工程影響、降低工程投資以及加快工程進(jìn)度,特對(duì)石牛村堤線(xiàn)進(jìn)行優(yōu)化數(shù)值模擬研究,為工程布置提供技術(shù)依據(jù)[1]。

圖1 堤線(xiàn)平面布置圖

2 模型建立及驗(yàn)證

2.1 控制方程及求解方法

沿垂線(xiàn)平均的二維非恒定流數(shù)學(xué)模型控制方程:

式中:η為水位(m);u、v垂線(xiàn)平均流速分量(m/s);h為水深(m);g為重力加速度(9.81 m/s2);f為柯氏力參數(shù);ρ0為水的密度;τsx、τsy、τbx、τby分別為表面風(fēng)應(yīng)力和底部摩擦力;sxx、sxy、syx、syy為輻射應(yīng)力張量;Txx、Txy、Tyy分別為側(cè)應(yīng)力;t為時(shí)間(s)。

方程(1)為水流連續(xù)方程,方程(2)、(3)分別為x、y方向的動(dòng)量守恒方程,求解采用控制體積法顯式迎風(fēng)模式[2-3]。

2.2 計(jì)算范圍及網(wǎng)格布置

數(shù)學(xué)模型全長(zhǎng)約27 km,上邊界為仙居水文站,下邊界至臨海柏枝岙水文站。模型內(nèi)主要支流包括三橋溪、盂溪、橋下溪、朱溪等,計(jì)算范圍見(jiàn)圖2。

模型最大網(wǎng)格邊長(zhǎng)約50 m,工程區(qū)及涉水建筑物附近網(wǎng)格根據(jù)實(shí)際地形特點(diǎn)漸變加密,最小網(wǎng)格邊長(zhǎng)約為10 m。整體計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)17 907個(gè),單元總數(shù)33 863個(gè),局部網(wǎng)格布置見(jiàn)圖3。

圖2 模型計(jì)算范圍圖

圖3 模型計(jì)算局部網(wǎng)格圖

2.3 模型驗(yàn)證

模型采用2005年的 “羅莎” 臺(tái)風(fēng)以及2007年的 “韋帕”臺(tái)風(fēng)2場(chǎng)洪水的洪痕調(diào)查資料進(jìn)行驗(yàn)證。其中2005年的“羅莎”臺(tái)風(fēng)相當(dāng)于5 a一遇洪水,驗(yàn)證結(jié)果見(jiàn)圖4,從圖4中可以看出,計(jì)算驗(yàn)證點(diǎn)與實(shí)測(cè)資料差值在0.20 m以?xún)?nèi),表明模型的選擇、參數(shù)的率定等都較為合理,能夠滿(mǎn)足方案計(jì)算的需要[4]。

圖4 數(shù)學(xué)模型驗(yàn)證比較圖

3 計(jì)算結(jié)果

3.1 優(yōu)化方案

通過(guò)分析石牛村附近村莊、農(nóng)田以及河勢(shì)分布情況,針對(duì)規(guī)劃堤線(xiàn)提出2種優(yōu)化方案 (見(jiàn)圖1),分別為:優(yōu)化方案1:大橋處堤防外移50 m(石牛大橋擴(kuò)孔約1孔),規(guī)劃堤線(xiàn)左4+049.782 m處外移50.00 m,下游段堤防直線(xiàn)連接于石牛閘出口堤防;優(yōu)化方案2:大橋處堤防外移65.00 m(石牛大橋不擴(kuò)孔),規(guī)劃堤線(xiàn)左4+049.782 m處外移60.00 m,下游段堤防直線(xiàn)連接于石牛閘出口堤防。

3.2 對(duì)沿程洪水位影響

通過(guò)50 a一遇工況洪水計(jì)算,得出各方案洪峰時(shí)刻沿程洪水位變化圖(見(jiàn)圖5)。從圖5中可以看出,首先,堤線(xiàn)外移對(duì)橡膠壩前洪水位幾乎沒(méi)有影響,下游最遠(yuǎn)影響到石牛大橋以下500 m附近位置(測(cè)8斷面);堤線(xiàn)外移后,石牛大橋上游河道水位略有上升,下游則略有降低;其次,優(yōu)化方案1上游河道主槽最大的水位增幅約0.06 m,而方案2則達(dá)到0.12 m左右,增幅為方案1的2倍。

圖5 堤線(xiàn)各布置方案洪峰時(shí)刻水位變化圖

3.3 對(duì)沿程流速分布的影響

圖6給出了堤線(xiàn)附近河道流速變化等值線(xiàn)圖。從圖6中可以看出,優(yōu)化方案橡膠壩前流速分布幾乎沒(méi)有變化。壩下600m斷面由于洪水位壅高,相應(yīng)流速減小0.10 m/s左右,降幅約3.74%;石牛大橋附近受河道主槽縮窄影響,流速基本有所增大,上游50 m斷面流速最大增幅為0.15 m/s,下游的測(cè)8斷面增幅有所減小,最大約0.10 m/s。

圖6 堤線(xiàn)各布置方案洪峰時(shí)刻流速變化等值線(xiàn)圖

4 結(jié) 語(yǔ)

本文采用平面二維水流數(shù)學(xué)模型,對(duì)仙居城防工程石牛村左岸的規(guī)劃堤線(xiàn)及其2個(gè)優(yōu)化方案進(jìn)行了計(jì)算,通過(guò)各方案沿程洪水位和流速變化比較,表明石牛村堤線(xiàn)外移65 m方案內(nèi)對(duì)河道行洪的影響不明顯,但為盡量減少堤防對(duì)行洪的影響,建議石牛大橋堤線(xiàn)盡量控制外移50 m以?xún)?nèi)。

該優(yōu)化方案能有效地避免工程實(shí)施對(duì)石牛村的民房拆遷影響,減少土地占用近2 hm2(30畝),節(jié)約工程投資約1 500萬(wàn)元,并為下一步工程設(shè)計(jì)提供了技術(shù)依據(jù)。

[1]吳蕾,呂中明,施馮洪,等.仙居縣縣城城市防洪工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告[R].杭州:浙江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院,2003.

[2]包中進(jìn),周杰.曹娥江大閘導(dǎo)流堤方案水力學(xué)數(shù)值模擬 [J].水動(dòng)力學(xué)研究與進(jìn)展:A輯,2004(S1):948-953.

[3]陳玉璞.流體力學(xué) [M].南京:河海大學(xué)出版社,1990.

[4]包中進(jìn),徐崗,王斌,等.仙居縣城市防洪工程河道模型試驗(yàn)研究報(bào)告 [R].杭州:浙江省水利河口研究院,2010.