基于Mike復雜跨河橋梁建設項目的洪水影響分析

殷 源

(深圳市水務規(guī)劃設計院股份有限公司，廣東 深圳 518000)

城市規(guī)劃路網(wǎng)縱橫交錯，跨河橋梁將城市河流分隔成無數(shù)河段，大橋跨大河的建設一般需在河道行洪斷面內(nèi)設置多排橋墩，占用河道行洪空間，產(chǎn)生壅水影響[1- 3]，降低河道防洪標準，并可能影響區(qū)域雨水排放，加劇城市內(nèi)澇。因此，跨河橋梁建設的洪水影響分析始終是工程建設的一項關(guān)鍵內(nèi)容[4- 5]。

目前國內(nèi)部分學者通過數(shù)值模型和機器學習等方法對城市內(nèi)澇模擬進行了相關(guān)研究。李子鈺等[6]基于Mike Urban軟件建立城市內(nèi)澇模型，對廣州市花都區(qū)不同降雨情景下的內(nèi)澇分布情況、易澇點積水時間以及最大積水深度進行模擬；房亞軍等[7]結(jié)合高精度地形數(shù)據(jù)和降雨、徑流實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用SWMM雨洪模型模擬暴雨條件下海綿城市的產(chǎn)流；劉媛媛等[8]將具有良好計算精度數(shù)值模型與具有較高計算效率的BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡模型相結(jié)合，提出了一種快速預測城市內(nèi)澇風險的新方法；陳光照[9]數(shù)值模型采用了高分辨率DEM地形數(shù)據(jù)表征復雜的城市地表形態(tài)，引入了GPU并行加速計算技術(shù)實現(xiàn)在不降低計算精度的條件下大幅提升計算效率;徐美等[10]以中國北京市城區(qū)為例，通過城區(qū)精細化洪澇模型對多種降雨條件下的暴雨情景進行模擬與分析，構(gòu)建了北京城區(qū)的暴雨-內(nèi)澇情景庫；楊東等[11]基于擴散波方法，構(gòu)建了一套排水管網(wǎng)水動力模型，并與已開發(fā)的高分辨率城市地表水文水動力模型進行了耦合。此外該團隊還提出了雨水井等效排水法(RIA)和僅在道路上等效排水法(CIR)兩種表征管網(wǎng)排水能力的方法，采用高效高分辨率的城市雨洪模型，以西咸新區(qū)為研究區(qū)域，模擬了城市內(nèi)澇積水過程，并與實測數(shù)據(jù)進行了對比[12]。此外，還有部分學者對城市內(nèi)澇策略和預警系統(tǒng)進行了相關(guān)研究[13- 14]。

本文運用Mike 11一維模型及Mike 21二維模型，模擬了赤石河200年一遇洪水工況下建橋前后河道水流水位、流速及流向的變化，為水行政主管部門審批橋梁建設方案提供了依據(jù)，降低工程成本。研究結(jié)果可為相關(guān)工程提供參考。

1 工程概況

赤石河，又名鳳河，是深汕特別合作區(qū)內(nèi)的第一大河流，發(fā)源于海拔高1256m的白馬山峰，由大安村、碗窯村流經(jīng)赤石村、新城村與明熱河匯集經(jīng)三江樓、新聯(lián)江頭村灣再經(jīng)園墩林場、鵝埠境、小漠境而流入紅海灣。赤石河流域面積為382km2，河流長度為36.75km，平均坡降5.21%。目前，深汕特別合作區(qū)正處于高速建設發(fā)展階段，規(guī)劃市政道路建設在合作區(qū)全面鋪開。由于合作區(qū)防洪潮規(guī)劃及河道整治規(guī)劃相對滯后，大部分河道都屬于天然河道，赤石河現(xiàn)狀防洪標準僅20～50年一遇。如何減輕或避免橋梁建設對河道防洪的影響，平衡城市防洪建設空間與城市道路建設空間，為城市建設預留足夠防洪空間，成為涉河橋梁工程建設項目工作的重點。因此，高精度的完成擬建復雜跨河橋梁工程對河道的防洪影響分析尤為重要。赤石河流域水系分布如圖1所示。

圖1 赤石河流域水系分布圖

深汕特別合作區(qū)宜城大道(深汕大道至創(chuàng)智路)建設工程，主線全長7.075km，規(guī)劃為城市主干路，車道數(shù)為雙向8車道，設計速度60km/h。本工程在河道樁號14+810處跨越赤石河，設計為宜城大橋上跨，擬建橋梁處現(xiàn)狀河道寬度70m，規(guī)劃河寬80m。宜城大橋橋梁與河道水流交角60°，行洪斷面內(nèi)布置兩排橋墩，橋墩軸線方向與河道水流方向一致，建設后橋梁阻水比為4.5%?？偲矫娌贾脠D如圖2所示，宜城大橋平圖如圖3所示，宜城大橋立面如圖4所示。

圖2 總平面布置圖

圖3 宜城大橋平圖

圖4 宜城大橋立面

2 控制方程

二維洪水演進模型是在二維淺水動力學的計算方法的基礎上構(gòu)建的。MIKE21軟件在模擬城市洪水二維漫流過程中可以真實地模擬出水面在道路、小區(qū)、綠地、河道等不同地形狀況下漫流過程。模擬結(jié)果以數(shù)據(jù)、表格、圖像、動畫等形式輸出，內(nèi)容包括：洪水水量的空間分布、淹沒范圍、淹沒水深、淹沒歷時。二維水動力學模型的控制方程包括連續(xù)方程和動量方程，其中連續(xù)方程為：

(1)

動量方程為：

(2)

(3)

式中，H—水深；Z—水位，Z=H+B，B為地面高程；M、N—x和y方向的單寬流量；u、v—x和y方向上的流速分量；n—糙率系數(shù)；g—重力加速度；q—源匯項。

方程沒有考慮科氏力和紊動項的影響。

3 數(shù)值模型建立

3.1 模型選定

為了高精度分析擬建宜城橋梁建成后對河道洪水的影響，采用Mike21建立擬建橋梁上下游區(qū)域二維模型。二維模型需要高精度的河道水下地形基礎資料，模型范圍過大將增加工程的測繪成本。綜合考慮擬建橋梁影響范圍、模型分析成果精度要求及工程經(jīng)濟成本等因素，二維模型上邊界取自擬建工程上游700m處，下邊界取自工程下游360m處，模擬水域面積約0.099km2。

同時，二維模型需要確定下邊界水位、上邊界洪水、內(nèi)邊界區(qū)間洪水等邊界條件。由于赤石河基本為天然河道，下游入海，合作區(qū)防洪潮規(guī)劃及河道整治規(guī)劃暫未發(fā)布。因此，需從河口往上游推算相應工況下河道水面線來確定二維模型下邊界水位。為滿足模型分析成果精度要求，采用Mike11建立赤石河河口至二維模型下邊界段(長14.45km)一維模型，Mike一維模型與逐段試算法、HEC-RAS模型等水面線推算方法對河道地理特征參數(shù)數(shù)據(jù)要求一樣，僅需要河道斷面(實測或規(guī)劃，根據(jù)模擬工況而定)數(shù)據(jù)。

3.2 計算工況及邊界條件

本次模型計算的步驟包括工程前和工程后，其中工程前的建橋前現(xiàn)狀與規(guī)劃河道邊界結(jié)合的地形條件見表1，而工程后在工程前的基礎上，考慮宜城大橋的橋墩布置，見表2。

表1 一維模型邊界條件情況統(tǒng)計表

表2 二維模型邊界條件情況統(tǒng)計表

3.3 模型網(wǎng)格

整個二維模型計算區(qū)域剖分采用不同大小的三角形網(wǎng)格劃分方法。經(jīng)過多次劃分和調(diào)整，建立的模型所劃分的網(wǎng)格地形能較真實地反映河道地形的實際情況。模型劃分的網(wǎng)格地形如圖5所示，模型研究范圍內(nèi)共布置15284個三角形網(wǎng)格單元節(jié)點數(shù)7968個。對河道行洪斷面內(nèi)橋墩區(qū)域網(wǎng)格加密并將內(nèi)部節(jié)點對應的床面高程修改為工程完工后的地形高程(也可采取直接封堵網(wǎng)格)概化處理，如圖6—7所示。

圖5 工程前網(wǎng)格圖

圖6 工程后網(wǎng)格圖

圖7 工程后擬建工程位置局部網(wǎng)格圖

4 數(shù)值結(jié)果分析

4.1 平面流態(tài)與流速變化分析

為了便于分析，在工程附近及其上下游河道布置了60個采樣點，如圖8所示，工程前模擬區(qū)域整體流態(tài)如圖9所示，工程后模擬區(qū)域整體流態(tài)如圖10所示，擬建工程附近流速變化等值線如圖11所示，工程前后水位、流速、流向變化統(tǒng)計見表3—4。從模擬區(qū)域整體流態(tài)看，赤石河河道流態(tài)平順，局部無急流、旋流等紊亂不利流態(tài)。

圖8 采樣點布置圖

圖9 工程前流場圖

圖10 工程后流場圖

圖11 工程后流速等著線圖

表3 水位變化統(tǒng)計表(p=0.5%) 單位：m

表4 流速變化統(tǒng)計表(p=0.5%) 單位：m/s

從工程前后流場對比圖及流向變化統(tǒng)計來看，擬建工程建設后，由于橋墩的阻水束流作用，橋墩附近局部產(chǎn)生繞流，部分測點流向偏轉(zhuǎn)較大，流場有所變化，32、34、49采樣點位于橋墩附近及近岸處，流向變化較大，其余采樣點流向變化范圍在-10°～6°之間。從工程前后流場對比圖可以看出，工程前后流場變化較小，河道內(nèi)整體流態(tài)平順，工程對河道整體流態(tài)及流勢的影響較小。

根據(jù)工程附近流態(tài)圖及流速變化統(tǒng)計成果，赤石河200年一遇洪水工況下，工程實施后，采樣點流速減小最大值為-0.17m/s，流速增加最大值為0.07m/s。根據(jù)工程前后的流速變化等值線圖可以看出，工程對流速影響范圍整體分布形狀和規(guī)律類似，橋墩前后局部區(qū)域流速減小，相鄰橋墩之間流速有所增加，符合橋墩對水流的一般性影響規(guī)律。通過工程前、工程后的水位、流速、流向?qū)Ρ缺砜煽闯?，該項目在水域?nèi)立墩對赤石河的行洪影響較小。由此可見，宜城大橋建設后，赤石河整體流態(tài)平順，流速變化區(qū)域主要局限在橋址附近，流速變化幅度及影響范圍均不大，擬建工程對所在河道整體流速、流態(tài)影響不大。

4.2 灘槽和河岸變化分析

工程后橋墩立于河床，引起河道地形變化。由于橋墩阻水引起過水斷面面積的變化，減少了斷面的有效過水寬度，工程建設將引起工程附近河道的調(diào)整。由于工程后對河道的流速、流態(tài)變化的影響有限，工程對河槽形態(tài)變化的影響也局限于該區(qū)域，主要表現(xiàn)在擬建宜城大橋橋墩靠近赤石河左右岸岸坡，流速變化幅度較小。此外，橋墩阻水，橋墩兩側(cè)局部水流發(fā)生紊動，可能產(chǎn)生局部淘刷、沖深，但局部沖刷和沖深較弱。綜上所述，擬建工程對灘槽變化的影響較小，僅限于墩周范圍，工程對所在河道的河勢穩(wěn)定和岸線變化的影響較小。

5 結(jié)語

本文為評估擬建復雜跨河橋梁工程對河道的防洪影響，依托宜城大橋工程，運用Mike 11一維模型及Mike 21二維模型，模擬了赤石河建橋前后河道水流水位、流速及流向的變化。研究結(jié)果表明，200年一遇洪水工況下，最大壅水高度為0.02m；通過工程前、工程后的水位、流速、流向?qū)Ρ缺砜煽闯觯擁椖吭谒騼?nèi)立墩對赤石河的行洪影響較小。宜城大橋建設后，赤石河整體流態(tài)平順，流速變化區(qū)域主要局限在橋址附近，而對所在河道整體流速、流態(tài)影響不大。因此，在有限資料條件下采用多模型結(jié)合運用，可以低成本高精度完成涉河建設項目對河道洪水影響分析計算。