多橋并存背景下遼河特大橋的防洪影響評(píng)價(jià)研究

王宏巖

(遼寧省營(yíng)口水文局，遼寧 營(yíng)口 115003)

多橋并存背景下遼河特大橋的防洪影響評(píng)價(jià)研究

王宏巖

(遼寧省營(yíng)口水文局，遼寧 營(yíng)口 115003)

以京沈客運(yùn)專線遼河特大橋?yàn)槔?，基于HydroInfo二維水力模型,對(duì)多橋并存背景下遼河特大橋的防洪影響評(píng)價(jià)進(jìn)行了深入研究。模擬結(jié)果顯示，大橋的建設(shè)對(duì)橋址上下游河道及兩岸均影響較小，不需要采取額外的防護(hù)與補(bǔ)救措施。

遼河特大橋；防洪影響評(píng)價(jià)；多橋并存

京沈高鐵遼河特大橋橋址河段密集分布有多座橋梁，由于橋梁壅水是從下游向上游傳遞，對(duì)于在橋間距較小且多座橋梁的情況下，必須要考慮多壅水疊加效應(yīng)。HydroInfo水力信息系統(tǒng)是重要的水力研究工具，在洪水、泥沙與河道演變分析等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用[1]。該系統(tǒng)主要由計(jì)算分析、信息查詢等模塊構(gòu)成，其中計(jì)算模塊將研究區(qū)內(nèi)的庫(kù)群、河網(wǎng)、堤壩與淹沒(méi)區(qū)等視為大系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一處理，并采用分區(qū)動(dòng)態(tài)耦合算法構(gòu)建二維或三維流動(dòng)微分方程組作為控制方程[2]。本文基于HydroInfo二維水力模型，對(duì)京沈高鐵遼河特大橋的防洪影響進(jìn)行評(píng)價(jià)，拓展了HydroInfo水力信息系統(tǒng)應(yīng)用范圍，對(duì)類似橋梁工程的防洪影響評(píng)價(jià)具有重要的借鑒價(jià)值。

1 工程概況

京沈高鐵遼河特大橋是京沈高鐵遼寧段的重要橋梁工程之一，位于遼寧省沈陽(yáng)市新民市境內(nèi)[3]。遼河特大橋中心里程DK640+424，全橋長(zhǎng)12 040.1 m。大橋的基礎(chǔ)均采用鉆孔灌注樁及挖井基礎(chǔ)，橋墩設(shè)計(jì)為雙線圓端形實(shí)體等截面墩和圓端形實(shí)體變截面墩，橋臺(tái)采用雙線一字形橋臺(tái)。

遼河是我國(guó)東北地區(qū)南部的主要河流，全長(zhǎng)1345 km，流域面積21.9萬(wàn)km2。遼河流域?qū)儆诘湫偷闹袦貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，降雨量年內(nèi)分配極不均勻，主要降雨集中于夏季的7、8月份，占全年降水量的一半左右。受降雨季節(jié)變化的影響，遼河徑流的年內(nèi)分布極不均勻，其中7～9月的徑流占全年的76.5%。

遼河特大橋橋址區(qū)為第四系沖積平原，地形平坦，地面高程約35～41 m，該區(qū)域大部分地段為耕地，其中分布有大量鄉(xiāng)村土路。表層為種植土，第四系覆蓋層厚度變化較大，第四系覆蓋層較厚，未見(jiàn)基巖出露。橋址區(qū)地下水類型為第四系孔隙潛水及基巖裂隙水，勘測(cè)期間地下水埋深 1.7～11.2 m，地下水主要靠大氣降水補(bǔ)給，以地下徑流人工開(kāi)采灌溉及蒸發(fā)為主要排泄方式，隨季節(jié)變化水位變幅1～6 m左右。

2 HydroInfo二維模型

2.1 數(shù)學(xué)模型

HydroInfo軟件自由水面模型求解利用的是平面二維淺水方程，并利用垂向分層的方式對(duì)三維自由水面的流動(dòng)進(jìn)行模擬[4]。由于大范圍內(nèi)的三維自由表面流動(dòng)，其垂向尺度變化遠(yuǎn)小于平面尺度，因此可引入淺水假設(shè)對(duì)守恒方程進(jìn)行必要簡(jiǎn)化。假設(shè)沿水深方向的壓力符合靜水壓力分布特征，并進(jìn)一步對(duì)守恒方程在深水方向積分以獲得平均化處理，便可以獲得以下守恒型淺水方程，其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

(1)

其中：

；

式中：U為自變量；F為x方向的通量；G為y方向的通量；S為源項(xiàng)，其中的上標(biāo)I為對(duì)流通量，V為粘性通量；h為水深；u為x方向的流速；ν為y方向的流速；g為重力加速度；S0x為x方向的底坡源項(xiàng)；S0y為y方向的底坡源項(xiàng)；Sfx為x方向的底摩擦源項(xiàng)；Sfy為y方向的底摩擦源項(xiàng)。且：

(2)

式中：n為糙率；Zb為河底高程，m。

2.2 模型的建立

利用HydroInfo軟件中的三維自由水面模型，利用Euler-Lagrangian分層計(jì)算模式構(gòu)建垂向分層動(dòng)網(wǎng)格以及非結(jié)構(gòu)化平面網(wǎng)格，并利用Vertex-Centered的離散淺水方程求解，對(duì)大橋橋址處的水流流動(dòng)過(guò)程進(jìn)行模擬[5]。

計(jì)算區(qū)域?yàn)檫|河中游新民河段，由遼河特大橋下游約1000 m至上游約1350 m，全長(zhǎng)約2350 m，寬度 800～1200 m。由于計(jì)算區(qū)域地處平原，兩岸多為村屯或農(nóng)地，因此選取實(shí)測(cè)地形高點(diǎn)為邊界，并對(duì)模型進(jìn)行適當(dāng)展寬。模型構(gòu)建主要需要計(jì)算域地形數(shù)據(jù)和上下游邊界條件，數(shù)據(jù)來(lái)源于沈陽(yáng)市國(guó)土部門和水文部門公布的數(shù)據(jù)資料。計(jì)算域邊界采用CAD軟件根據(jù)地形圖描繪，上游邊界條件給定流量邊界：20 a一遇為1970 m3/s、100 a一遇為4410 m3/s；下游邊界給定水位邊界：20 a一遇為37.6 m、100 a一遇為38.4 m。

模型的網(wǎng)格劃分采用三角形網(wǎng)格，并在各橋梁橋墩位置進(jìn)行局部加密，總節(jié)點(diǎn)數(shù)21 609，總網(wǎng)格數(shù) 42 303[6]。計(jì)算河段的水位初值取為 39.78，糙率為 0.015。在確定計(jì)算域基本情況后，添加好邊界條件完成建模。計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)取為0.0005 h，設(shè)計(jì)4000步計(jì)算步數(shù)，共模擬2 h水位過(guò)程，每隔0.2 h輸出一次結(jié)果，其他參數(shù)保持默認(rèn)。

2.3 計(jì)算工況

京沈高鐵遼河特大橋所處河段是新民市和沈陽(yáng)市之間的重要通道，其上下游現(xiàn)存或在建多座橋梁。其中距離遼河特大橋距離較近的有G304國(guó)道巨流河大橋、G304國(guó)道改建橋和金家店橋。其中金家店橋已經(jīng)停止使用待拆除；G304國(guó)道改建橋已經(jīng)立項(xiàng)尚未動(dòng)工。

為模擬遼河特大橋建成后對(duì)水面線的影響，需計(jì)算各種不同工況(表1)下的水面線、橋梁壅水及斷面流速[7-8]，并與天然水面線計(jì)算成果進(jìn)行對(duì)比，以分析遼河特大橋建成后的防洪影響問(wèn)題。

表1 計(jì)算工況說(shuō)明

3 計(jì)算結(jié)果分析與防洪評(píng)價(jià)

3.1 計(jì)算結(jié)果與分析

根據(jù)根據(jù)沈陽(yáng)市和新民市的防洪規(guī)劃文件，橋址河段的防洪標(biāo)準(zhǔn)為20 a一遇；根據(jù)京沈客運(yùn)專線的設(shè)計(jì)要求，遼河大橋的防洪標(biāo)準(zhǔn)為100 a一遇。因此，本次模擬計(jì)算以20 a一遇和100 a一遇洪水水文資料，結(jié)合上述八種工況進(jìn)行2 h水位過(guò)程的模擬計(jì)算。

計(jì)算結(jié)束后點(diǎn)擊數(shù)據(jù)處理和流場(chǎng)分析，即可獲取不同時(shí)刻的計(jì)算結(jié)果，以及各網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的水位、水深以及流速過(guò)程等數(shù)據(jù)。以11 453節(jié)點(diǎn)為例，其在工況一條件下遭遇20 a一遇洪水條時(shí)的水位、水深和流速的計(jì)算結(jié)果如表2所示。由計(jì)算結(jié)果可以看出，初始時(shí)刻計(jì)算范圍內(nèi)的水位相同，之后水位逐漸變化，并在0.6 h后逐步趨于穩(wěn)定。

表2 節(jié)點(diǎn)11 453的計(jì)算成果

對(duì)所有8個(gè)工況的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，獲得如表3所示的成果。從表中數(shù)據(jù)可以看出，橋梁建成后會(huì)使橋梁上游水位雍高，而橋梁下游水位降低，橋梁處上下游水位差增大。同時(shí)，由于流量一定，水位升高時(shí)流速減小，而水位下降時(shí)流速增大。

表3 水面線模型斷面水位、流速計(jì)算結(jié)果

3.2 防洪影響評(píng)價(jià)

根據(jù)水利部松遼委員會(huì)的《遼河流域防洪規(guī)劃》橋址段兩岸的堤防標(biāo)準(zhǔn)為20 a一遇。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，在工況8的情況下，遼河特大橋橋址處水位較天然狀況雍高0.14 m，對(duì)兩岸堤防的防洪功能影響不大。

在橋址段遭遇20 a一遇的洪水時(shí)，遼河特大橋水位雍高0.05 m；遭遇100 a一遇洪水時(shí)水位雍高0.09 m，在工況8的情況下，水位為40.75 m，與大橋梁底的最小高程相差3.08 m，遠(yuǎn)大于防洪規(guī)范要求的0.50 m。因此，遼河特大橋建成后對(duì)該段河道行洪安全影響不大。

根據(jù)二維模型計(jì)算成果，該河段的等流線分布在大橋建成前后無(wú)明顯變化，除橋址附近受橋墩影響略有變化之外，其余河段與建橋前基本相同。因此，大橋建成后上游部分河道會(huì)產(chǎn)生輕微淤積，而下游河道會(huì)產(chǎn)生輕微沖刷，但是影響不大，不會(huì)對(duì)河勢(shì)穩(wěn)定產(chǎn)生明顯不利影響。

評(píng)價(jià)范圍內(nèi)沒(méi)有其他水利設(shè)施，因此僅需分析對(duì)原有及新建橋梁的影響。首先，二維數(shù)學(xué)計(jì)算結(jié)果表明新建橋梁修建后對(duì)巨流河大橋附近流場(chǎng)影響較小，因此遼河特大橋的修建對(duì)巨流河大橋的影響較小；其次，規(guī)劃中的G304國(guó)道改建橋位于遼河大橋的下游，因此影響更為輕微。

總之，京沈客運(yùn)專線遼河特大橋的建設(shè)對(duì)橋址上下游河道及兩岸均影響較小，除按規(guī)定執(zhí)行環(huán)境保護(hù)、水土保持方案措施外，不需額外增加防洪方面的防護(hù)與補(bǔ)救措施。

4 結(jié) 論

面對(duì)同一河段密集分布的多座橋梁之間的雍水疊加效應(yīng)，利用二維水動(dòng)力模型，對(duì)橋址河段通過(guò)不同量級(jí)洪水情況下的水位壅高和水流形態(tài)等特征進(jìn)行了研究。模擬結(jié)果不僅可以較為直觀的進(jìn)行河道洪水流態(tài)二維動(dòng)態(tài)模擬，還可以為工程建設(shè)和河道管理部門的防洪影響管理提供依據(jù)，為類似項(xiàng)目的防洪評(píng)價(jià)提供借鑒。

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Study on the flood control evaluation of Liao River Grand Bridge under the condition of existing with other bridges

WANG HongYan

(YingkouhydrologybureauofLiaoningProvince，Yingkou115003，China)

Taking Beijing-Shenyang passenger special line,Liao River Grand Bridge as an example,this paper makes an in-depth study on the flood control evaluation of Liao River Grand Bridge under the condition of existing bridges with the 2-D hydraulic model based on HydroInfo,The simulation results show the bridge has so little influence on the upstream and downstream that no additional measures should be take.

Liao River Grand Bridge; evaluation of flood control; existing with other bridges

王宏巖(1980-)，女，遼寧岫巖人，工程師，主要從事水文勘測(cè)、財(cái)務(wù)管理工作。E-mail:xwg123@126.com。

P331.1

A

2096-0506(2017)02-0051-04