江湖匯流段特大涉水建筑物行洪影響研究

曹　兵，王海洋（.東營市水利局，山東 東營 5709；.東營市財(cái)政局，山東 東營 5709）

江湖匯流段特大涉水建筑物行洪影響研究

曹兵1，王海洋2
（1.東營市水利局，山東 東營 257091；2.東營市財(cái)政局，山東 東營 257091）

【摘要】以長江與洞庭湖匯流段擬建某特大橋?yàn)槔?，采用?shù)值模擬手段，分析了修建大橋?qū)R流段行洪的影響。數(shù)值模擬結(jié)果表明，特大橋修建對江湖匯流段行洪影響較小。

【關(guān)鍵詞】特大涉水建筑物；匯流段；行洪；大橋；數(shù)值模擬

長江與洞庭湖匯流段是長江防洪最敏感的河段之一，自古以來就是洪水災(zāi)害的多發(fā)地區(qū)，在此修建特大涉水建筑物必須考慮對匯流段行洪的影響。擬建某特大橋是國家某高速公路岳陽至常德段的控制性工程，跨越長江與洞庭湖匯流段，穿越方案位于湖南省岳陽市七里山附近，東岸為岳陽市區(qū)，西岸為岳陽市君山區(qū)。大橋橋軸線為東南至西北走向，與主河槽軸線斜交，斜交角度為57°。大橋全長8182m，其中主橋采用2008m雙塔雙跨懸索橋；河道內(nèi)布置85座橋墩，設(shè)主墩一個(gè)，其余為輔墩。

1　　數(shù)學(xué)模型的建立

1.1控制方程及定解條件

采用基于水深平均的平面二維數(shù)學(xué)模型來描述水流運(yùn)動(dòng)。直角坐標(biāo)系下水流運(yùn)動(dòng)的控制方程為：

水流連續(xù)方程：

水流運(yùn)動(dòng)方程：

式中：Z為水位；H為水深；u、v為x、y方向的流速；n為糙率系數(shù)；g為重力加速度；vT為水流紊動(dòng)擴(kuò)散系數(shù)，vT=α0u*H，α0=0.2，u*為摩阻流速，

定解條件：包括初始條件與邊界條件。邊界條件為上游給定垂線平均流速沿河寬的分布，下游給出水位沿河寬的分布。對于岸邊界，則采用水流無滑移條件，即取岸邊水流流速為零。在計(jì)算時(shí)，由計(jì)算開始時(shí)刻上、下邊界的水位確定模型計(jì)算的初始條件，河段初始流速取為零，隨著計(jì)算的進(jìn)行，初始條件的偏差將逐漸得到修正，其對最終計(jì)算成果的精度不會(huì)產(chǎn)生影響。

1.2數(shù)值計(jì)算方法

直角坐標(biāo)系下，水流運(yùn)動(dòng)的控制方程可用如下通用形式表示：

式中：φ為通用變量，Γ為廣義擴(kuò)散系數(shù)，S為源項(xiàng)。以四邊形單元為控制體，待求變量存儲于控制體中心。采用有限體積法對控制方程進(jìn)行離散，用基于同位網(wǎng)格的SIMPLE算法處理水流運(yùn)動(dòng)方程中水深和速度的耦合關(guān)系。離散后的代數(shù)方程組可以寫成如下形式：

離散方程組由x方向動(dòng)量方程，y方向動(dòng)量方程和水位修正方程三個(gè)方程構(gòu)成，用Gauss迭代法求解線性方程組。

1.3相關(guān)問題的處理

由于江湖匯流段水位變化較大，再加上其形態(tài)也頗為復(fù)雜，要精確反映邊界位置的變化是比較困難的。為體現(xiàn)不同水位條件下邊界位置的變化，采用了動(dòng)邊界技術(shù)，也即將露出單元的河床高程降至水面以下，并預(yù)留薄層水深，同時(shí)更改單元的糙率，使得露出單元的水流運(yùn)動(dòng)速度為零，水深為預(yù)留薄層水深，水位值由附近未露出點(diǎn)的水位值外插而得到。

二維數(shù)學(xué)模型的主要參數(shù)是糙率系數(shù)，其實(shí)際上是一反映水流阻力的綜合系數(shù)。在本次計(jì)算過程中，根據(jù)模擬河段本次實(shí)測的水文資料及歷史水文資料，按曼寧公式計(jì)算斷面平均糙率，作為初始計(jì)算的糙率值，再考慮到糙率隨水深有深水區(qū)比淺水區(qū)糙率小的變化趨勢，因此，在模型計(jì)算中用節(jié)點(diǎn)水深對斷面平均糙率進(jìn)行修正，再根據(jù)水位、流場情況對糙率系數(shù)進(jìn)行分段調(diào)試。

2　　數(shù)學(xué)模型的驗(yàn)證

采用匯流段2008-11的同步水文地形資料（長江來水流量12000m3/s，洞庭湖來水流量13100m3/s）進(jìn)行模擬計(jì)算。實(shí)測期間在河道內(nèi)布置了若干斷面進(jìn)行水位及垂線平均流速的測量。

驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果表明，水位的計(jì)算值與實(shí)測值的誤差一般小于3cm；流速的計(jì)算值與實(shí)測值基本一致，兩者的誤差一般小于±5%。可見，本文采用的數(shù)學(xué)模型可準(zhǔn)確地模擬匯流段的水流運(yùn)動(dòng)，可以用以研究大橋修建對河段行洪的影響。

3　　計(jì)算工況與計(jì)算結(jié)果

3.1計(jì)算工況與橋墩處理

采用防洪設(shè)計(jì)洪水與20年一遇洪水作為計(jì)算工況。防洪設(shè)計(jì)洪水條件下，長江流量為41400m3/s，洞庭湖流量為39400m3/s；而在20年一遇洪水條件下，長江流量為30200m3/s，洞庭湖流量為38100m3/s。為在數(shù)學(xué)模型中反映擬建工程對河道水流的影響，一方面在網(wǎng)格剖分時(shí)盡可能在工程附近對網(wǎng)格進(jìn)行局部加密，另一方面則采用局部地形修正與局部加糙進(jìn)行概化處理來反映其影響。

3.2計(jì)算結(jié)果

1）水位變化情況。在防洪設(shè)計(jì)洪水條件和20年一遇洪水條件下，在主槽內(nèi)，水位壅高最大值分別為0.3cm；灘地水位壅高最大值為1.7cm和 1.5cm；匯流段水位降低最大降低值為1.6cm和1.3cm；水位變化大于0.3cm的范圍位于工程上游730m和570m，工程下游970m和680m的區(qū)域內(nèi)。總體上說，工程實(shí)施后，河道水位的變化主要集中在工程附近的局部區(qū)域內(nèi)，具體表現(xiàn)為工程上游水位壅高，而在其下游水位則有所降低；不同計(jì)算工況下，工程修建引起的匯流段水位變化值與變化范圍均不大。

2）流速變化情況。在防洪設(shè)計(jì)洪水條件下，工程實(shí)施后，主槽內(nèi)流速增加，增加值最大為0.03m/s，流速增加0.02m/s的影響范圍位于橋位上游960m。在灘地上流速減小的最大值為0.1m/s，水流流速增加的最大值為0.06m/s。對匯流段而言，流速減小0.02m/s的影響范圍位于橋位上游約130m及橋位下游約690m的范圍內(nèi)；流速增加0.02m/s的影響范圍位于橋位上游約360m及橋位下游約540m的范圍內(nèi)。

在20年一遇洪水條件下，工程實(shí)施后，主槽內(nèi)流速增加，增加值為0.02m/s，影響范圍位于橋位上游310m。在灘地上流速減小的最大值為0.08m/s，水流流速增加的最大值為0.04m/s。對匯流段而言，流速減小0.02m/s的影響范圍位于橋位上游約100m及橋位下游約560m的范圍內(nèi)；流速增加0.02m/s的影響范圍位于橋位上游約290m及橋位下游約430m的范圍內(nèi)。

綜上可知，建橋后流速變化主要集中在橋位斷面上下游附近的局部區(qū)域內(nèi)，主要表現(xiàn)為橋墩上下游局部區(qū)域流速減小，部分區(qū)域流速略有增加。

4　結(jié)語

計(jì)算結(jié)果表明，大橋修建引起匯流段的水位最大壅高值為1.7cm，水位最大降低值為1.6cm，水位變化大于0.3cm的最大范圍位于工程上游730m、工程下游970m的區(qū)域內(nèi)；大橋修建引起匯流段的流速減小最大值為0.1m/s，流速增加的最大值為0.06m/s，流速變化0.02m/s的最大范圍位于工程上游360m、工程下游690m的區(qū)域內(nèi)。綜上數(shù)據(jù)可見，特大橋的修建對該江湖匯流段的行洪影響較小。

（責(zé)任編輯趙其芬）

【中圖分類號】TV143

【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】B

【文章編號】1009-6159（2015）-04-0018-02

收稿日期：2015-01-13

作者簡介：曹兵（1983—），男，博士，工程師