淺談Mike21模型在橋梁防洪評價補償方案中的應用

張 健，王 霞，任錦亮，呂 軍，諸葛緒霞

(鹽城市水利勘測設計研究院，江蘇 鹽城 224000)

鹽城市南環(huán)路通榆河大橋位于江蘇省鹽城市亭湖區(qū)，橋梁跨通榆河而設，位于現有通榆河大橋兩側，由于跨河橋梁在河道內設墩柱阻水，對通榆河河道行洪排澇影響較大，根據《中華人民共和國水法》《中華人民共和國防洪法》和國家計委、水利部《河道管理范圍內建設項目管理的有關規(guī)定》(水政[1992]7號文)，本工程需進行防洪評價。

在防洪評價報告編制過程中，針對阻水較大的涉水構筑物，補償方案設計是其重要組成部分。隨著近代計算機技術與數值方法的不斷進步，數學模型得到了廣泛的應用，由于數學模型的精確性與可視化性，本文將Mike21模型運用到涉水工程的防洪評價補償方案中，建立橋址附近河道數學模型，對河道及橋墩處流場進行數值模擬，分析不同補償方案前后水位、流場變化，確定最優(yōu)補償方案，以減少大橋建設對河道行洪排澇的影響。

1 研究區(qū)域概況

1.1 河流概況

通榆河是里下河地區(qū)南北向骨干河道，向里下河地區(qū)及渠北濱海、阜寧、響水地區(qū)供水并兼顧排澇、航運。河道自東臺至響水177.7km，其中東臺-廢黃河南段河道引水能力100m3/s，河道底寬50m，河道底高程▽-4.21m(1985年高程基準，下同)；廢黃河北-響水段河道引水能力50m3/s，河道底寬50m，河道底高程▽-1.21m。

1.2 工程概況

南環(huán)路是鹽城市城市快速路網工程“一環(huán)五射”中“一環(huán)”的一部分，南環(huán)路全長12.6km。現有南環(huán)路跨通榆河大橋上部結構為(50+80+50)m三跨預應力混凝土變截面雙箱雙室連續(xù)箱梁，梁高1.5～4.65m，下部結構采用鋼筋混凝土矩形實體式橋墩，鉆孔灌注樁基礎。橋墩平面尺寸3m(垂直水流方向)×10.5m(順水流方向)。承臺厚度3m，承臺頂高程▽2.8m，底高程▽-0.2m，平面尺寸10m(垂直水流方向)×13.75m(順水流方向)。橋梁與通榆河垂直相交。

新建南環(huán)路跨通榆河大橋位于現有通榆河大橋兩側，其中跨通榆河主橋上部結構采用懸臂澆筑預應力混凝土連續(xù)箱梁，跨徑組成為(50+80+50)m，箱梁斷面采用單箱單室直腹板形式，橋梁橫坡由腹板變高度形成，梁中心高度為2.3～4.6m。主墩采用薄壁空心墩，鉆孔灌注樁基礎。墩柱斷面尺寸為3.5m(垂直水流方向)×6.25m(順水流方向)。承臺厚度3.5m，平面尺寸10m(垂直水流方向)×11.5m(順水流方向)，承臺頂高程▽-1.3m，底高程▽-4.8m。

2 模型設計

2.1 模型計算范圍及網格剖分

綜合考慮水文資料、地形及工程研究內容等因素，選取南環(huán)路跨通榆河大橋上下游各1.2km河段為計算范圍。

現狀河道斷面標準為實測斷面，測量間距為100m，橋址處加密測量。通榆河設計斷面標準為：河道底寬50m，河底高程▽-4.21m，邊坡1∶3(橋址上游600m～下游900m范圍內為1∶4)，青坎高程▽2.29m，青坎寬度15m，堤頂高程▽3.79m，堤防邊坡1∶2.5。

本次模型采用無結構三角形和四邊形混合網格剖分，如圖1所示。在建模過程中，概化出橋墩形狀，引入模型中，按不過水處理，橋墩周邊模型網格自動加密。模型計算網格數為11185個，節(jié)點數為5931個。

圖1 水力計算網格剖分圖

2.2 模型參數

因為河道狹長，不考慮風力的作用。

河道糙率根據率定并參照一定的經驗，橋址上游為自然河坡，青坎以下取0.0225，橋址下游有砼護坡，青坎以下糙率取0.018；青坎以上糙率取0.03。

2.3 邊界條件

模型采用河道設計標準進行計算，進口流量Q=226m3/s，出口20a一遇防洪水位Z=2.425m。潮中河閘站流量12m3。

2.4 檢測點布置

為比較補償方案實施前后水位變化情況，需在河道中間設置檢測點。建橋后橋墩阻水，橋墩處水位變化較大，因此檢測點放在橋墩處。本次模型設置了30個檢測點。如圖2所示。

圖2 檢測點示意圖

2.5 模型準確性分析

根據實測河道斷面，目前橋址上下游通榆河斷面河底高程一般為▽-6.0m，較設計底高程▽-4.21m相差較大。因此將實測斷面與設計斷面分別放入模型中計算，算得實測斷面河道過流能力為227m3/s，規(guī)劃斷面河道過流能力為226m3/s，兩者相差并不大。經對比分析，現狀橋址上下游斷面在防洪水位2.44m時過平均過水面積為515m2，而設計斷面為513m2，兩者基本相同。為計算方便，在本次模型的計算中用設計斷面代替現狀實測斷面。

3 補償方案設計及計算結果分析

3.1 補償方案設計

目前橋址下游已經有混凝土護坡，根據分析，壅水主要發(fā)生在橋梁上游，為減少對現有護坡的破壞，初步擬定從新建橋下游100m拓浚河道進行補償。根據計算，橋墩阻水面積約為50m2，根據現場實際情況，初步考慮河道青坎對稱拓浚補償，拓寬斷面為底高程-1.21 m，底寬10m，邊坡1∶3，補償面積57.75m2，與橋墩阻水面積基本相當。補償方案斷面示意圖如圖3所示，考慮上游補償不同的長度100、200、400m。

考慮不同補償范圍進行以下幾種工況分析計算，見表2，如圖4所示。

表2 補償方案計算組合表

3.2 不同補償方案計算結果分析

3.2.1流速、流場變化

(1)平均流速。根據表3計算統計結果，通榆河防洪20a一遇工況下，現狀無橋時，橋位處斷面平均流速為0.419m/s，建橋以后，斷面平均減少為0.407m/s，平均流速減少0.012m/s。采取斷面補償，開挖長度為500m時，平均斷面流速恢復至0.417m/s?？偟膩碚f，斷面平均流速變化較小，補償后，基本恢復原來的斷面平均流速。

(2)節(jié)點流速差。20a一遇工況下，最大節(jié)點流速差出現在橋墩附近，無補償時最大節(jié)點流速差為+0.12m/s，采取斷面補償，開挖長度為500m時，最大節(jié)點流速差減少至+0.02m/s。如圖5所示。

圖3 補償方案斷面示意圖(單位：m)

圖4 不同方案河道地形概化圖

(3)最大流速。20a一遇工況下，除上游100m局部河段流速稍大(最大值0.32～0.55m/s)以外，其余皆比較小為0.05～0.41m/s。建橋前最大流速在河道中心，最大流速約為0.50m/s，建橋后無補償時最大流速約為0.55m/s，采取斷面補償后，最大流速降為0.50m/s，基本恢復到工程前，但最大流速范圍稍有擴大。如圖6—10所示。

(4)流場形態(tài)。從圖6—10來看，建橋前后流場變化很小，在大橋橋墩處局部流場變化較大，橋墩正前方流速變緩，水位抬高，橋墩正后方流速變緩，水位降低。

3.2.2流量變化

根據表3計算統計結果，通榆河防洪20a一遇工況下，現狀無橋時，橋位處斷面平均流量為226m3/s，建橋后流量減少為218.6m3/s，減少約7.4m3/s，占行洪流量的3.3%，影響較大。采取補償開挖長度為500m時，平均斷面流量恢復至225.3m3/s。

由此可見，斷面補償基本上能達到補償流量的要求，但是補償長度對流量影響較大。經上述計算，補償長度為500m時，基本能滿足流量補償要求。

圖5 不同方案建橋前后流速差圖

表3 不同補償方案計算成果表

圖6 建橋前流場圖

圖7 建橋后(不補償)流場圖

圖8 建橋后(橋址上下游各拓寬100m)流場圖

圖9 建橋后(橋址上游拓寬200m下游100m)流場圖

圖10 建橋后(橋址上游拓寬400m下游100m)流場圖

圖12 不同方案建橋前后水位差圖

3.2.3水位影響

通榆河防洪20a一遇工況下，水面曲線如圖11所示。沒有任何補償時，橋墩前最大壅水高度為0.76cm，壅水長度1000m。采取補償開挖長度達500m時，壅水高度減小至0.51cm，壅水長度縮小為650m。

圖11 建橋前后不同補償方案水位線對比圖(單位：m)

總的來說，水位影響比較小，采取補償方案后，隨著開挖長度的增加，能進一步降低了壅水高度和影響范圍。如圖12所示。

4 結論

本文將Mike21模型運用到涉水工程的防洪評價補償方案中，依靠其模型精確性與可視化性，較為直觀的呈現了不同補償方案實施前后的水位、流場變化情況，經比選，推薦河道對稱拓浚，下游拓寬長100m，上游拓寬長400m方案能基本消除大橋建設對河道行洪排澇的影響。該方法可在防洪評價補償方案設計中推廣使用。但利用模型計算也存在一定的不足，建立模型對水文、河道等資料要求較高，且建模工程量較大，一般只適用于阻水較大的工程防洪評價中。