基于MIKE21的二維數(shù)值模擬在防洪評價(jià)中的應(yīng)用

沈德錄,周建芬

(1.浙江中邦水利科技有限公司,浙江 杭州 310018;2.浙江水利水電學(xué)院 水利與環(huán)境工程學(xué)院,浙江 杭州 310018)

響山大橋位于浙江溫州永嘉縣境內(nèi),于1998年建成,橋梁全長185 m,橋?qū)? m,跨徑組合為 5×35 m。響山大橋經(jīng)鑒定已被判定為危橋,存在安全隱患,為確保車輛通行安全,相關(guān)管理部門決定對響山大橋?qū)嵤┡R時(shí)限制交通措施。在橋梁兩側(cè)設(shè)置限高架,禁止高度3 m(含)以上的車輛通行,但該橋是杭溫鐵路永嘉段工程施工運(yùn)輸車輛的必經(jīng)之路?？紤]到杭溫鐵路永嘉段已全面進(jìn)入主體施工階段,而現(xiàn)有響山大橋不能滿足杭溫高鐵施工運(yùn)輸車輛荷載要求,為確保杭溫鐵路正常施工,急需在原響山大橋下游處增設(shè)臨時(shí)鋼棧橋。按照《中華人民共和國防洪法》(2016年修正)、《河道管理范圍內(nèi)建設(shè)項(xiàng)目管理的有關(guān)規(guī)定》(2017年修正)等法律、法規(guī)的規(guī)定,建設(shè)臨時(shí)鋼棧橋前必須編制防洪評價(jià)報(bào)告,重點(diǎn)分析評價(jià)臨時(shí)鋼棧橋的建設(shè)是否滿足自身防洪安全需要,提出切實(shí)可行的消除或減輕洪水影響的措施。

1 研究目的

圖1 臨時(shí)鋼棧橋平面布置

圖2 臨時(shí)鋼棧橋橋型

圖3 臨時(shí)鋼棧橋立面布置圖

2 研究方法

2.1 水文分析

本工程涉及楠溪江響山村段范圍的水文分析計(jì)算成果在浙江省水利水電勘測設(shè)計(jì)院編制的《楠溪江流域水利規(guī)劃修編報(bào)告》[4]中已有詳細(xì)計(jì)算過程,該成果可用于本次防洪評價(jià)水文分析成果比對;按照本工程所在位置及楠溪江流域特點(diǎn),將響山大橋橋址以上流域分為三個(gè)區(qū)域:大楠溪流域、小楠溪流域及大小楠溪匯合口至響山大橋區(qū)域。根據(jù)《浙江省短歷時(shí)暴雨》[5]計(jì)算面雨量,再通過浙江省瞬時(shí)單位線公式分別推求洪水更具針對性,洪水組合后分析計(jì)算得出本次設(shè)計(jì)洪水成果。

根據(jù)《楠溪江流域水利規(guī)劃修編報(bào)告》,本工程設(shè)計(jì)暴雨根據(jù)流域雨量站的位置分布狀況,選取石柱站、碧蓮站作為暴雨分析的參證站。暴雨取樣采用同場雨法,以P-Ⅲ型曲線適線,從而求得流域不同頻率設(shè)計(jì)暴雨。本次楠溪江響山村段設(shè)計(jì)暴雨采用浙江省短歷時(shí)暴雨。點(diǎn)面系數(shù)取1.0,根據(jù)《浙江省短歷時(shí)暴雨》圖集查得點(diǎn)雨量及變差系數(shù)Cv值,即為流域面雨量與Cv值。楠溪江響山村段設(shè)計(jì)暴雨成果見表1。

表1 楠溪江響山村段設(shè)計(jì)暴雨成果

將本次流域設(shè)計(jì)暴雨成果與《楠溪江流域水利規(guī)劃修編報(bào)告》中的設(shè)計(jì)暴雨成果進(jìn)行對比,對比結(jié)果見表2。

表2 設(shè)計(jì)暴雨成果比較

從表2設(shè)計(jì)暴雨成果比較可以看出,本次設(shè)計(jì)暴雨計(jì)算成果與《楠溪江流域水利規(guī)劃修編報(bào)告》中設(shè)計(jì)暴雨成果在不同頻率條件下相差4.6～10.4 mm,差值率為1.21%～5.56%。考慮了地理地形等因素對暴雨洪水的影響,以及河道對洪水的調(diào)蓄作用,偏態(tài)系數(shù)與變差系數(shù)比值Cs/Cv取2.5,符合本流域的洪水特性,推求的設(shè)計(jì)洪水成果較為可靠。

流域匯流計(jì)算采用浙江省瞬時(shí)單位線法[6]。由設(shè)計(jì)暴雨雨型分配,求取各時(shí)段雨量過程,扣除初損、后損,得到各時(shí)段凈雨過程,按流域特征值計(jì)算瞬時(shí)單位線相關(guān)參數(shù),從而求出各頻率設(shè)計(jì)洪水。計(jì)算分區(qū)見圖4,相應(yīng)計(jì)算結(jié)果見表3,表4。

表3 楠溪江流域分區(qū)特征值

表4 楠溪江流域分區(qū)設(shè)計(jì)洪水計(jì)算結(jié)果

圖4 楠溪江流域分區(qū)示意圖

通過對各分區(qū)洪水進(jìn)行組合計(jì)算,楠溪江響山村段響山大橋橋址處50年一遇洪峰為16 269 m3/s,20年一遇洪峰為12 965 m3/s,10年一遇洪峰為10 459 m3/s,5年一遇洪峰為7 843 m3/s。

石柱水文站地處大楠溪,集水面積為1 311.7 km2,碧蓮站位于小楠溪,集水面積為401.3 km2。這兩個(gè)水文站的總控制面積達(dá)1 713 km2,占楠溪江流域的70.3%,水文氣象條件一致,是作為設(shè)計(jì)洪水分析較為理想的代表站。因此,本次設(shè)計(jì)洪水分析中,采用流域內(nèi)石柱站、碧蓮站的實(shí)測洪水資料進(jìn)行計(jì)算比較,比較結(jié)果見表5,表6。

表5 石柱站設(shè)計(jì)洪水結(jié)果比較

表6 碧蓮站設(shè)計(jì)洪水結(jié)果比較

由表5,表6可見,本次推求的石柱站、碧蓮站設(shè)計(jì)洪峰與實(shí)測洪峰相對誤差在9%以內(nèi),說明由設(shè)計(jì)暴雨采用瞬時(shí)單位線推求設(shè)計(jì)洪水的成果基本合理、可靠。

2.2 水利計(jì)算

橋址處距楠溪江河口約25.8 km,認(rèn)為該段河道不會受到楠溪江下游的潮水上溯影響。對于山溪性河流,由于溪流槽蓄作用差,洪水陡升陡落,本次采用一維恒定非均勻流進(jìn)行水位分析計(jì)算,水位成果作為鋼棧橋下游水位邊界條件,計(jì)算結(jié)果見表7。水面線可通過求解能量方程求得,逐斷面依次計(jì)算,具體表達(dá)式[7]為

表7 響山大橋橋址下游洪水位

(1)

(2)

式(1)-式(2)中:Z1為上游斷面河底高程,m;Z2為下游斷面河底高程,m;Y1為上游斷面水深,m;Y2為下游斷面水深,m;V1為上游斷面平均流速,m/s;V2為下游斷面平均流速,m/s;a1為上游斷面動能修正系數(shù);a2為下游斷面動能修正系數(shù);g為重力加速度,取9.8 m/s2;he為水頭損失,m;Sf為水力坡度;L為斷面平均距離,m;C為斷面收縮系數(shù)或擴(kuò)散系數(shù)。

2.3 計(jì)算工況

根據(jù)《楠溪江流域水利規(guī)劃修編報(bào)告》,該區(qū)域防洪標(biāo)準(zhǔn)為10年一遇。經(jīng)踏勘,橋址處現(xiàn)狀溪流右岸為S223省道(仙清線)路基擋墻及部分灘地,左岸臨江側(cè)均為自然岸坡,后為農(nóng)田,橋址兩岸目前尚未進(jìn)行堤防規(guī)劃建設(shè)。由于鋼棧橋使用期較短,屬于臨時(shí)性工程,根據(jù)《防洪標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50201—2014)第3.0.8章節(jié)的描述,對使用期較短的建筑物,可適當(dāng)降低防洪標(biāo)準(zhǔn),承擔(dān)一定的防洪風(fēng)險(xiǎn),同時(shí),在經(jīng)濟(jì)上也是合理可行的。結(jié)合工程實(shí)際情況,擬定計(jì)算5年一遇工況。鋼棧橋上游洪峰流量為7 843 m3/s,下游0.5 km處相應(yīng)洪水位為10.51 m。

2.4 阻水分析計(jì)算

通過鋼棧橋施工圖,結(jié)合實(shí)地現(xiàn)場踏勘情況,鋼棧橋最低橋面高程為11.10 m,最低梁底高程8.78 m,與原響山大橋橋面及梁底高程基本一致,但均不滿足5年一遇防洪要求。阻水[8]分析采用《浙江省涉河橋梁水利技術(shù)規(guī)定(試行)》要求“阻水比為在設(shè)計(jì)水位條件下,橋梁阻水結(jié)構(gòu)在垂直于水流方向上的投影面積與河道過水?dāng)嗝婷娣e之比”進(jìn)行分析計(jì)算。跨越Ⅰ、Ⅱ級堤防橋梁的阻水面積百分比不宜大于5%,同時(shí)不得超過7%?？缭舰蠹壖耙韵碌谭酪约盁o堤防河道的橋梁的阻水面積百分比不宜大于6%,不得超過8%;根據(jù)現(xiàn)場周邊堤防工程建設(shè)情況,工程沿線堤防等級均為Ⅳ級及以下。經(jīng)計(jì)算,鋼便橋建設(shè)后阻水比為6.30%,滿足相關(guān)要求。橋梁阻水比計(jì)算結(jié)果見表8。

表8 橋梁阻水比計(jì)算結(jié)果

2.5 水流運(yùn)動基本方程

水流連續(xù)方程為

(3)

水流運(yùn)動方程為

(4)

(5)

式(3)-式(5)中:t為時(shí)間,s;x,y分別為笛卡爾坐標(biāo)系坐標(biāo),m;h為水深,m;u為橫向水流速度,m/s;v為縱向水流速度,m/s;n為糙率系數(shù);vt為渦流系數(shù)。

2.6 二維水流數(shù)學(xué)模型的建立

2.6.1 計(jì)算范圍和網(wǎng)格劃分

數(shù)學(xué)模型計(jì)算范圍[9]應(yīng)充分涵蓋工程建設(shè)可能影響到的范圍,結(jié)合鋼棧橋所處河段河勢條件及本次研究分析內(nèi)容等因素,模型計(jì)算范圍為鋼棧橋軸線上下游各500 m。利用SMS軟件生成三角形網(wǎng)格離散計(jì)算區(qū)域,網(wǎng)格大小隨河道河勢變化而變化,并在橋墩處進(jìn)行局部加密,網(wǎng)格最小邊長為0.30 m,區(qū)域共離散為92 738單元和47 226節(jié)點(diǎn)。

2.6.2 邊界條件

模型所選用的河道邊界資料采用《溫州市永嘉縣市級河道劃界方案》[10]中楠溪江劃界成果,橋軸線上游0.5 km處為流量邊界條件,下游0.5 km處為水位邊界條件(通過水面線推求可得下游0.5 km處相應(yīng)洪水位為10.51 m),其余為陸地邊界條件。建橋前橋墩處的網(wǎng)格單元不作處理,建橋后橋墩處的網(wǎng)格單元按照陸地邊界處理。計(jì)算范圍地形見圖5。

圖5 工程范圍地形概化

2.7 有關(guān)參數(shù)的選取

2.7.1 河道糙率

本區(qū)域缺少實(shí)測洪水資料,參考計(jì)算斷面上游石柱、碧蓮水文觀測站實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,同時(shí)參照有關(guān)天然河道河床糙率取值表,并結(jié)合楠溪江響山村段的河床組成、岸坡光潔度以及河道過流斷面形狀等綜合因素來確定,本次計(jì)算河道綜合糙率系數(shù)取用0.03。

2.7.2 干濕邊界處理

為保證模型計(jì)算過程的連續(xù)性,采用動邊界模擬不同水位下網(wǎng)格的干濕變化情況。本次干邊界水深取0.1 m,濕邊界水深取0.05 m。

3 結(jié) 果

計(jì)算模型所選用的河道邊界資料采用《永嘉縣省級、市級河道劃界》中楠溪江劃界成果。邊界條件:工程所在地上游0.5 km處為流量邊界條件,下游0.5 km處為水位邊界條件,其余為陸地邊界條件。相關(guān)的數(shù)學(xué)模型及計(jì)算結(jié)果見圖6—圖11。

圖6 數(shù)學(xué)模型計(jì)算范圍

圖7 橋墩處網(wǎng)格局部加密圖

圖8 建設(shè)前橋墩附近流場等值線

圖9 建設(shè)前局部橋墩流場矢量分布

圖10 建設(shè)后橋墩附近流場等值線

圖11 建設(shè)后局部橋墩流場矢量分布

通過模型計(jì)算分析,在遭遇5年一遇洪水時(shí),臨時(shí)鋼棧橋橋址附近的水位較建設(shè)前水位略有升高,主要表現(xiàn)在水流受到橋墩壓縮,在橋墩迎水面形成壅水。對MIKE21計(jì)算結(jié)果進(jìn)行后處理,得到最大壅水高度為0.06 m,出現(xiàn)在橋址上游約110 m處;在橋墩背水面形成跌水,最大跌水高度為0.02 m,出現(xiàn)在橋址下游約80 m處,橋下平均流速約4.50 m/s,最大流速增幅為3.36%。通過MIKE21計(jì)算結(jié)果得到的橋前最大壅水值、橋下平均流速,與采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到的橋前最大壅水值0.0569 5 m、橋下平均流速4.53 m/s基本接近,由此可知,通過MIKE21模型計(jì)算得到的結(jié)果是比較合理的。

受橋墩局部的阻水作用影響,水流向橋墩兩側(cè)出現(xiàn)繞流,計(jì)算結(jié)果表明繞流范圍較小,對河道整體水流運(yùn)動無較大影響;橋梁左岸邊墩離橋臺擋墻較近,但左側(cè)橋臺現(xiàn)狀呈“丁字形”,可大大降低靠近左側(cè)橋臺橋墩遭受洪水的沖刷作用;橫斷面方向橋墩的阻水作用,使得橋址處的過水?dāng)嗝鎸挾燃懊娣e減小,橋墩間流速較建設(shè)前有所增加,最大流速增幅為3.36%,橋墩周邊流速降低幅度較大。

根據(jù)《浙江省涉河橋梁水利技術(shù)規(guī)定(試行)》要求,臨時(shí)鋼棧橋建設(shè)后引起的水位壅高以“對于不允許越浪的河道江(海)堤,橋墩阻水引起的最大壅水高度應(yīng)控制在堤頂安全超高值的10%以內(nèi);對于允許越浪的江(海)堤最大壅水高度應(yīng)在堤頂安全超高值的20%以內(nèi)”作為評價(jià)依據(jù);工程建設(shè)流態(tài)變化以“根據(jù)錢塘江、浦陽江、曹娥江、飛云江、甌江、甬江等河道上30座已建橋梁引起的流速變化定床物理模擬和數(shù)值模擬研究,堤腳前的流速增大值可以控制在5%以內(nèi)”作為評價(jià)依據(jù)。工程涉及河道現(xiàn)狀為無堤防,按Ⅳ級堤防不允許越浪考慮,最大壅水高度應(yīng)小于0.06 m。綜上分析,響山大橋臨時(shí)鋼棧橋的建設(shè)對楠溪江流域響山村段的水位、流速影響較小,皆在可控范圍內(nèi)。

4 結(jié) 論

本研究以永嘉縣沙頭鎮(zhèn)響山大橋臨時(shí)鋼棧橋工程為實(shí)例,采用MIKE21二維數(shù)值模擬對工程涉及河段鋼棧橋建設(shè)前后的水流條件變化進(jìn)行模擬分析,計(jì)算結(jié)果顯示:臨時(shí)鋼棧橋橋址附近的水位較建設(shè)前水位略有升高,最大壅水高度為0.06 m,發(fā)生在橋位上游約110 m處,橋墩間流速較建設(shè)前有所增加,最大流速增幅為3.36%,計(jì)算結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果基本一致,認(rèn)為該模型能夠較好滿足響山大橋臨時(shí)鋼棧橋防洪評價(jià)需要。由于鋼棧橋的建設(shè)引起的水位壅高、壅水影響范圍及流速增幅值較小,故對楠溪江河道行洪能力、河勢穩(wěn)定影響較小。但根據(jù)施工設(shè)計(jì)方案,臨時(shí)鋼棧橋左岸邊墩離橋臺擋墻最小距離僅為0.89 m,小于橋墩直徑的3倍,不滿足相關(guān)要求。建議建設(shè)單位在汛期時(shí),在左側(cè)承臺處拋擲沙袋,防止洪水對左側(cè)承臺基礎(chǔ)的沖刷;在鋼棧橋使用過程中,應(yīng)加強(qiáng)對橋面及左側(cè)橋臺擋墻的安全監(jiān)測,發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)采取措施;通過施工圖結(jié)合現(xiàn)場踏勘結(jié)果,臨時(shí)鋼棧橋設(shè)計(jì)高程與響山大橋高程基本一致,但均不滿足5年一遇防洪要求,建設(shè)單位應(yīng)設(shè)置相應(yīng)的警戒水位及撤離水位,并派專人進(jìn)行水位觀測,如遇上游達(dá)到相應(yīng)水位或接到防汛調(diào)度指令的情況,應(yīng)立即中斷交通,限制通行。

目前,水流條件模擬主要有物理模型模擬和數(shù)學(xué)模型模擬,物理模型往往需要耗費(fèi)大量人力物力,且改變邊界條件較為困難;而數(shù)學(xué)模型的邊界條件可以隨時(shí)改變,隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,計(jì)算速度更快、成本更低,軟件的通用性更強(qiáng)。本實(shí)例中MIKE21二維數(shù)值模擬結(jié)果能夠較好地反映鋼棧橋建設(shè)前后橋址所在河段的水位、流速變化情況,可為鋼棧橋工程防洪評價(jià)及項(xiàng)目審批提供技術(shù)支撐。