水動力模型在規(guī)劃河道護岸工程中的應用研究
——以南昌高鐵東站規(guī)劃河網(wǎng)水系為例

劉穎婧

（上海市城市建設設計研究總院（集團）有限公司，上海 200125）

城市化的快速發(fā)展使得城市的排澇能力受到制約與限制[1]，全球氣候變暖的趨勢也促使暴雨洪水事件頻繁發(fā)生[2]，這些不利因素的加劇都對河道護岸工程的設計提出了更高的要求。護岸工程的規(guī)劃設計中有若干與河道防洪排澇安全密切相關的關鍵性要素，如規(guī)劃河道斷面尺寸、規(guī)劃堤頂高程等[3]。這些要素值的合理與否對于河道在工程建成后運行使用期間是否能夠滿足區(qū)域的防洪排澇要求至關重要。

河道水力計算與水文計算分析是護岸工程水工結構設計的關鍵環(huán)節(jié)[4-5]，對于護岸工程規(guī)劃河道斷面尺寸及堤頂高程的確定有著重要影響，直接關系到生態(tài)護岸工程的防洪、生態(tài)與經(jīng)濟效益[6]。傳統(tǒng)計算方法已經(jīng)較難滿足工程設計的實際要求。數(shù)值模擬技術則具有成本低，效率高，可綜合考慮水體、水工建筑物、考慮多種設計工況及設計條件的優(yōu)勢，能夠將工程范圍內(nèi)涉水的各項工程同時考慮進來，幫助設計人員系統(tǒng)全面地了解工程區(qū)域河網(wǎng)水系的各項特征要素，為工程項目設計的高效性與準確性提供更大的支持。因此，建立工程區(qū)域的河網(wǎng)水系水動力數(shù)學模型對工程建設后區(qū)域河湖的流場及水位情況進行模擬、預演和研究是非常有必要的，對于合理確定區(qū)域內(nèi)規(guī)劃河道的設計方案具有重要作用和意義。

1 工程概況

南昌高鐵東站作為未來南昌的城市核心區(qū)域，區(qū)位重要，人員密集，暴雨條件下排澇壓力巨大，其現(xiàn)狀河道規(guī)模亟待提升。南昌東站片區(qū)水系規(guī)劃總體布局框架為“一湖、三河、多渠”。其中，“一湖”指的是水鏡湖；“三河”指的是東站河、天祥河、謝埠河；“多渠”指的是總干渠、六干渠、四干渠、連通渠、昌東三路渠。根據(jù)規(guī)劃，在上述河網(wǎng)水系中，總干渠、六干渠、四干渠、連通渠為灌溉渠，屬于高水系統(tǒng)，其余規(guī)劃河道則屬于低水系統(tǒng)。

本工程中天祥河、謝埠河是高鐵東站新區(qū)的排澇主通道，目前，高鐵東站新區(qū)主要市政路網(wǎng)正在加緊建設中，區(qū)內(nèi)沿線地塊現(xiàn)狀沒有明渠或湖泊等較大容積的系統(tǒng)的調(diào)蓄水系，本工程水系作為區(qū)域的主要排水通道，若不同步建設，雨季下暴雨時，雨水勢必在地面漫流，積水、內(nèi)澇嚴重。隨著高鐵新區(qū)開發(fā)廣度和深度的不斷加大，解決這一問題日益成為一個迫切的要求。因此，須以河道水力計算為基礎[1]，對工程區(qū)域進行規(guī)劃河網(wǎng)水系河道整治護岸工程的合理設計，筑牢護岸以提升區(qū)域的防洪排澇能力。

本文以南昌高鐵東站規(guī)劃河網(wǎng)水系為例，研究水動力模型Delft 3D Flexible Mesh 在規(guī)劃河網(wǎng)水系河道整治護岸工程中的應用。

圖1 南昌高鐵東站規(guī)劃河網(wǎng)水系示意圖

2 模型建立

2.1.1 護岸工程方案設計

生態(tài)護岸就是將植物等環(huán)境友好的自然材料引入其中，在維護岸坡足夠強度的同時，能保持良好生態(tài)環(huán)境的護岸型式[7-8]，本護岸工程河道斷面型式為復合梯形斷面，采用生態(tài)性較好的“仿木樁擋墻或漿砌石擋墻+植草緩坡”的結構形式，該形式抗沖刷性好且生態(tài)性景觀性較好，擋墻后可設置觀景步道，以達到親水樂水的效果。

擋墻前設置水生植物種植平臺，配置陸域及水生植物種植后營造水岸聯(lián)動，融合共生的生態(tài)景觀濕地效果，斷面形式如下圖所示。

圖2 護岸工程斷面設計方案示意圖

2.1.2 模型邊界條件及基本參數(shù)設置

本模型為二維數(shù)學模型，考慮垂向平均，采用大地坐標，85 高程，投影系為北京54 坐標系。

模型投影中央經(jīng)度為117°E，考慮科氏力的作用，模型緯度為28.15°N。

入流邊界為50年一遇設計暴雨工況下的流量控制，出流邊界為50 年一遇設計暴雨工況下的水位控制。

河床糙率（曼寧系數(shù)表示）根據(jù)過往相關工程項目經(jīng)驗設為0.023。

計算時間步長為30s，結果輸出時間步長為1h。

3 模型計算結果分析研究

工程區(qū)域分為高水系統(tǒng)與低水系統(tǒng)，低水系統(tǒng)在50 年一遇暴雨工況下是允許淹沒其兩側綠廊承擔泄洪任務的，因此對于低水系統(tǒng)而言，堤頂高程可以低于50 年一遇的設計洪水位；而高水系統(tǒng)則是由區(qū)域內(nèi)多條灌溉渠所組成，河道兩岸后方是廣闊的農(nóng)田，若被洪水淹沒，會產(chǎn)生較大的損失，因而對于高水系統(tǒng)而言，河道整治工程設計的遠期目標是希望河道護岸的堤頂高程能夠保證灌溉渠兩側農(nóng)田在50 年一遇設計洪水位的情況下不被淹沒，即高水系統(tǒng)河道護岸工程的堤頂高程要高于50 年一遇的設計洪水位。

對高水系統(tǒng)內(nèi)各規(guī)劃河道在50 年一遇暴雨工況下的水位數(shù)值模擬結果進行整理分析，如表1 所示。

表1 高水系統(tǒng)各規(guī)劃河道最高水位計算成果匯總表

由上表可知，在50 年一遇設計暴雨工況下，工程區(qū)域內(nèi)各高水系統(tǒng)規(guī)劃河道的水位模擬結果均較上位規(guī)劃最高水位有15～40cm 左右的提高，說明在50 年一遇暴雨情況下，高水系統(tǒng)各規(guī)劃河道內(nèi)的水位雍高現(xiàn)象十分嚴重。將模型計算水位結果與目前設計護岸工程方案中高水系統(tǒng)各規(guī)劃河道的設計堤頂高程進行對比分析，如表2 所示。

表2 50 年一遇設計暴雨工況下高水系統(tǒng)各規(guī)劃河道最高水位與設計堤頂高程對比表

由上表可知，在50 年一遇設計暴雨的工況下總干渠河道的水位值要高于水工結構設計方案中總干渠的設計堤頂高程，對河道的防洪安全存在不利影響。為解決上述問題，結合數(shù)模結果建議對總干渠的堤頂高程在現(xiàn)狀設計方案的基礎上再做一定的加高處理，使得上述河道在遭遇50 年一遇設計暴雨時的河道水體不會溢出河道外，以保證防洪安全。

4 結論

本文以南昌高鐵東站規(guī)劃河網(wǎng)水系為例，采用Delft 3D Flexible Mesh 水動力數(shù)學模型，將工程地塊的河網(wǎng)水系規(guī)劃河道地形依據(jù)上位規(guī)劃給出的規(guī)劃河道控制要素及規(guī)劃河道設計單位給出的規(guī)劃河道護岸斷面方案及高程方案在模型中進行細致構造，通過建立水動力模型進行規(guī)劃河網(wǎng)水系的水力計算，并利用模型分析工程實施后的效果，發(fā)現(xiàn)在50 年一遇設計暴雨的工況下總干渠河道的水位值要高于水工結構設計方案中總干渠的設計堤頂高程，對河道的防洪安全將存在不利影響，計算結果為進一步優(yōu)化河道護岸工程的設計方案提供了依據(jù)，對于合理確定區(qū)域內(nèi)規(guī)劃河道的設計方案具有重要作用和意義。