庞中华

(广州珠江水资源保护科技发展有限公司，广东 广州 510630)

0 引言

洪水影响分析的方法有水文分析法、水力学方法和实际水灾法[1-2]。在水力学方法中，洪水影响分析有一维和二维模拟方法，而河道的水文成果、水文情势通常采用此方法。涉河工程增大了部分水流的阻力，使河道的流域面积增大，对行洪产生阻水影响。基于此，模拟清远大道桥涵建设引起水文情势变化，可对所在河道排水、河势稳定、堤防护岸及其它水利工程与设施的影响提供参数依据。

1 工程概况

清远大道工程，路线长约6.55 km。道路等级为城市主干路兼一级公路，道路红线宽度70 m，机动车道数8 道，设计速度60 km/h，机动车道横坡值-2%。工程路线跨(穿)越的水体包括龙沥排渠、新开河、中心水道、青榄海、迎咀灌圳等13条河涌。沿线设置涉水的桥梁构造物类型主要有:跨河桥梁4座、跨涌涵洞10 座(6 座箱涵，4 座管涵)。涉河工程分布见图1。

图1 涉河工程地理位置示意图

2 数学模型的建立

平面二维水动力数学模型可以较直观地反映工程前后工程附近及上下游的水流变化情况，有助于分析判断工程前后水动力条件的改变、河道冲淤变化及对河堤的影响。

2.1 基本方程

MIKE21 水动力模型的控制方程为基于Boussinesq 假定和流体静压假定的二维不可压雷诺平均N-S 方程，即浅水方程。控制方程组采用平面二维非恒定流方程组，见式(1)～式(3)。

式中:x、y和t分别为空间、时间坐标;h为水深;U、V分别为x、y方向流速;z为水位;g为重力加速;u、v分别为垂线平均流速在x、y方向的分量;c为谢才系数;Vt为紊动粘性系数;n为曼宁糙率系数。

2.2 定解条件

初始条件:初始流速取零值，即u(x，y，0)=V(x，y，0)=0。

入流、出流边界:上游进口断面采用20 年一遇流量;下游出口断面采用20 年一遇设计洪水位。

固壁边界:采用不可入条件和无滑移条件。

2.3 研究范围及网格布置

拟将主要水系整体进行模拟研究。模拟区域的离散采用三角形网格。桥位处网格较密，尺寸最小为10 m3，其余区域网格较疏，模型节点数和网格数分别为8370 和14243。二维模型计算范围及网格布置见图2、图3。

图2 模型计算范围图

图3 模型计算网格图

2.4 桥墩的概化

基于数学模型，合理的概化项目区能够起到至关重要的作用，也能精准有效地反映实际的河段水流情况。网格单元的大小可精准反映桥墩尺寸，对桥位处的网格进行加密，并同时对其进行固化处理。对于局部被桥墩占用的网格，则通过调整综合糙率来处理。综合考虑项目所在河道的实际情况，糙率采用n=0.032。

2.5 计算工况

计算时考虑设计洪水位下工程前、工程后2 种情况:

K0+807.797 中桥、K3+197.571 中桥、K5+527.632 中桥建设前后，新开河、中心水道、青榄海河道在20 年一遇设计洪水下的情况。

3 计算分析

3.1 桥梁壅水分析

二维计算考虑P=5%洪水条件下工程建设对流态、河势等的影响。K0+807.797 中桥、K3+197.571 中桥、K5+527.632中桥建设后，受过流面积减小、局部阻力增大的影响，项目上游水位均有所壅高。根据二维数学模型，壅水计算结果统计见表1。

表1 二维模型断面水位壅高成果表

从计算结果看，K0+807.797 中桥建成后，在洪水(P=5%)条件下，项目建设引起的新开河断面水位壅高最大值为0.005 m。K3+197.571 中桥建成后，在洪水(P=5%)条件下，项目建设引起的中心水道断面水位壅高最大值为0.018 m。K5+527.632 中桥建成后，在洪水(P=5%)条件下，项目建设引起的青榄海断面水位壅高最大值为0.020 m。

K0+807.797 中桥桥梁建设引起新开河水位壅高最大值位于项目上游50 m 左右，随距桥位距离向上游逐渐缓慢降落，至上游150 m 左右恢复正常;桥位下游水位稍有跌落，但很快恢复正常。K3+197.571 中桥桥梁建设引起中心水道水位壅高最大值位于项目上游30 m 左右，随距桥位距离向上游逐渐缓慢降落，至上游50 m 左右恢复正常;桥位下游水位稍有跌落，但很快恢复正常。

K5+527.632 中桥桥梁建设引起青榄海水位壅高最大值位于项目上游80 m 左右，随距桥位距离向上游逐渐缓慢降落，至上游200 m 左右恢复正常;桥位下游水位稍有跌落，但很快恢复正常。总之，工程建设前后水位变化值随与拟建项目距离增大而逐渐减小。

3.2 流速、流态变化分析

3.2.1桥位及其附近河道流速、流态变化分析

工程前后流速、流态变化采用平面二维数学模型进行计算分析，二维模型可以较为细致地计算工程所在河段局部的流速和流场形态变化。

(1)新开河流态变化趋势

由图4～图5 可知，因工程项目占用了河道，部分河道无水流，水域流场形态没有显著变化。但工程项目区、上游和下游附近的部分水域流场形态有变化，而项目竣工后，水域流场形态的变化主要集中在上游、下游和桥位附近，流场变化自桥位向上游、下游呈递减趋势，但对下游附近的水域流态有明显的影响。

图4 工程前新开河流场及流速分布图

图5 工程后新开河流场及流速分布图

(2)中心水道流态变化趋势

由图6～图7 可知，因工程项目占用了河道，部分中心河道无水流，水域流场形态没有显著变化。但工程项目区、上游和下游附近的部分水域流场形态有变化，而项目竣工后，中心水域流场形态的变化主要集中在上游、下游和桥位附近，流场变化自桥位向上游、下游呈递减趋势，但对下游附近的水域流态有明显的影响。

图6 工程前中心水道流场及流速分布图

图7 工程后中心水道流场及流速分布图

(3)青榄海流态变化趋势

由图8～图9 可知，因工程项目占用了河道，部分青榄海河道无水流，水域流场形态没有显著变化。但工程项目区、上游和下游附近的部分水域流场形态有变化，而项目竣工后，青榄海水域流场形态的变化主要集中在上游、下游和桥位附近，流场变化自桥位向上游、下游呈递减趋势，但对下游附近的水域流态有明显的影响。

图8 工程前青榄海流场及流速分布图

图9 工程后青榄海流场及流速分布图

3.2.2施工期防洪影响

拟建项目涉水施工，从防洪最不利角度考虑，施工期洪水取20 年一遇(P=5%)设计洪水进行施工期防洪影响分析。施工期项目阻水主要来自于桥墩、施工便桥、围堰及施工平台等。

(1)K0+592.746 中桥防洪影响分析

拟建K0+592.746 中桥施工时可利用现状过路河道进行排水，待桥梁施工完毕，开挖桥下过路河道，将原河道贯通后，对现状河道进行回填。由于该桥施工为干地施工，故施工期基本不影响防洪安全。

(2)K0+807.797 中桥防洪影响分析

在新开河20 年一遇洪水条件下，计算得本桥施工期最大壅水高度0.02 m，壅水长度300 m。计算得桥位河段工程前流速为0.14 m/s，本桥施工期流速增加0.38 m/s。该桥施工前后流场及流速分布见图10～图11。

图10 施工前新开河流场及流速分布图

图11 施工期新开河流场及流速分布图

(3)K3+197.571 中桥防洪影响分析

拟建K3+197.571 中桥所在中心水道尚未开挖建设，桥位处仍为陆地，施工期不影响防洪安全。

(4)K5+527.632 中桥施工期防洪影响

在青榄海20 年一遇洪水条件下，计算得本桥运行期最大壅水高度0.025 m，壅水长度250 m。计算得桥位河段工程前流速为0.28 m/s，本桥施工期流速增加0.16 m/s。该桥施工前后流场及流速分布见图12～图13。

图12 施工前青榄海流场及流速分布图

图13 施工期青榄海流场及流速分布图

总体来看，桥梁施工期水位、流速、流态变化较同频率洪水下运行期大，大桥桥墩、栈桥墩及施工围堰、平台周围流速、流态变化较大，局部流速增加，最大增加0.38 m/s。因此，桥梁涉河桥墩应主要安排在枯水期施工，施工时密切注意两岸岸坡稳定;当施工期发生洪水时，施工栈桥，施工围堰及平台受水流冲击力较大，应做好应急防护措施;汛期施工应编制防洪应急预案，并报水务主管部门备案，确保施工期防洪安全;施工结束后应及时彻底清理河道，拆除临时施工设施，以免妨碍行洪。

4 结论

MIKE21 计算成果经与实际水文观测对比，结果较为吻和，符合模型计算的精度要求，因此对涉河建筑物附近流场水域变化的模拟是可信的。通过水文情势参数的分析，可为下一步第三方洪水影响评价提供支撑，也可为河道治理和防洪调度提供决策依据。