秦蓓蕾

(广东省水利电力规划勘测设计研究院,广州 510635)

随着经济社会发展,河道管理范围内的建设项目越来越多,这些项目的建设对于河道防洪会有很大影响。根据《中华人民共和国水法》、《中华人民共和国防洪法》、《河道管理范围内建设项目管理有关规定》等,为了保证河道行洪安全,河道管理范围内建设项目应开展防洪影响评价工作[1-4]。参考《河道管理范围内建设项目防洪评价报告编制导则》(试行),水文分析计算为防洪评价的主要分析计算内容。本文以李家沙特大桥为例进行防洪评价数值模拟计算分析。

1 桥梁基本情况

李家沙特大桥为国道主干线广州绕城公路南环段跨李家沙水道的桥梁,位于广东佛山顺德。桥位处河道宽约270 m,水面宽约220 m。本桥梁设计防洪标准为300年一遇,与水道斜交81°,跨度布置为110+220+110=440 m。桥梁在李家沙水道内布置两排桥墩,分别在河道左右近岸浅水区布置主墩,主墩垂直水流方向阻水宽度达5.5 m。

李家沙水道为珠江三角洲网河区主要河道,防洪评价桥位河段分流比、桥梁壅水、桥位流速流态等水文分析计算有必要建立网河区水动力数学模型,进行数值模拟计算分析。桥位局部水域概化见图1。

图1 桥位局部水域概化图Fig.1 Local river map around bridge

2 数值模拟方法

2.1 一维数学模型

三角洲网河大部分水域受径流和潮流的共同影响,水域内网河纵横交错,水文特性异常复杂。针对桥位河段水域具体特点,可建立一维数学模型。采用一维非恒定流基本方程作为网河往复流动的控制方程。

连续方程:

式中Z为水位;A为过水面积(m2);B为水面宽(m);t为时间(s);Q为流量(m3/s);R为水力半径(m);n为曼宁糙率系数;x为沿河距离(m);g为重力加速度(m/s2);q为单位河长侧向入流量,流入为正,流出为负(m2/s)。

网河汊口点的连接条件为水流满足质量守恒和动量守恒,忽略各分支流速水头的差别和汊口点的水头损失,对汊口储水的水体体积变化也忽略不计,汊口点的连接条件满足水位相等,流量连续。此条件作为内边界条件补充到河段方程组中。

对于由式(1)和式(2)组成的典型水流方程组,目前在数值计算上可用多种方法求解,这些方法各有优缺点,分别适用于不同的水流及边界情况。根据本水域网河特点,采用4点加权隐格式进行离散,求解时采用迭代法。

2.2 二维数学模型

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、河道流态变化对两岸河堤的影响。其基本方程由水流连续性方程和运动方程组成。

连续方程:

式中x,y为坐标轴;u,v为x,y方向的流速分量;t为时间变量;g为垂向加速度;h为水深;a为河底高程;ρ为水体密度;f为柯氏力系数(f=2ω sin ф,ω为地球自转角速度,ф为纬度);εxx,εxy,εyx,εyy为紊动粘性系数。

二维数学模型求解可采用Galerkin有限元法离散控制微分方程。首先将研究区域划分为若干个小单元,这些单元可以是三角形或者是四边形,各小单元分片构造插值函数,然后根据极值原理(加权余量法),将微分方程组化为控制所有孤立单元的有限元方程。最后,将所有局部单元上的方程汇集成总体的微分方程组或代数方程组,再换上应有的边界条件和初始条件,形成一个完备的代数方程组,求解该方程组就得到微分方程在整个计算区域上的数值解。

3 模型应用

3.1 一维数学模型

3.1.1 研究范围

根据桥位河道情况和桥墩阻水影响,参照《西、北江下游及其三角洲网河河道设计洪潮水面线》(试行)成果,确定一维数学模型研究范围:模型上游边界采用三水、马口各级频率洪水流量,博罗、老鸦岗、石嘴多年平均流量,下游边界为八大口门相应频率水位。分析对比工程前后的相邻河段洪潮水位,据其洪潮水位的变化值评价拟建工程对上游防洪排涝的影响。

3.1.2 计算成果

工程设计防洪标准(P=0.33%,300年一遇)下,桥位局部河段工程前后水位变化情况见表1。

桥位李家沙水道与榄核河、西樵水道、骝岗水道相邻。工程设计防洪标准(P=0.33%,300年一遇)下,相邻水道工程前后河道行洪分流比变化情况见表2。

在三角洲网河区遭遇枯水大潮情况下,以“2001.2”水文条件为例,桥位相邻水道工程前后纳潮量变化情况见表3。

表1 桥位局部河段工程前后水位变化情况表Table1 Water level change at local river around bridge

表2 工程前后河道分流比变化情况表Table2 Change of split ratioat local rivers around bridge/%

表3 工程前后相邻河道纳潮变化分析表Table3 Change of tide volume at adjacent rivers around bridge

3.2 二维数学模型

3.2.1 研究范围

二维模型建立主要考虑桥梁建设对李家沙水道影响,模型有一个上边界,一个下边界,边界条件取值参考一维数学模型计算成果。模拟范围为李家沙特大桥上游约1000 m,下游约1000 m,模拟水域面积约0.48 km2。模拟区域的离散采用矩形网格,共布置网格80×330,网格尺寸6 m×6 m。

3.2.2 桥墩概化

模拟桥墩对所在河段水流的影响,合理地概化桥墩是计算成果好坏的关键,如果概化合理,则计算成果就能较精确地反映实际情况。根据桥墩位置网格不过水区域,可将网格做完全不过水处理和局部加糙处理。

将桥墩所在单元(图2)的河床糙率分为两部分:①基本糙率,即无桥墩的河床糙率n;②等效糙率,即桥墩对水流拖拽影响形成的等效糙率。桥墩对水流的拖拽影响将平均分配到桥墩所在单元。单元基本糙率由上文所讲的方法在无工程条件下率定得到,等效糙率采用南科院的桩群阻力研究成果:

式中nt为等效糙率;n为河床糙率;H为水深;A′为单桩柱在垂直于水流方向上的投影面积;CD为单桩或桩群的阻力系数,CD=CdKdNd;Cd为单桩阻力系数,取Cd=2.0;Kd为桩群当量系数,Kd=0.3～1.0;Nd为桩数;ΔxΔy为桩柱平面尺寸;Ap为桥墩在单元平面的投影面积;Ae为单元面积。

图2 桥墩概化示意图Fig.2 Schematic of bridge pier generalization

3.2.3 计算成果

由于平面二维计算结果数据量较大,为了便于问题的分析,在拟建桥梁上、下游各80 m范围内布置一些具有代表性的采样点,采集其计算成果重点比较和分析工程兴建前、后这些采样点位处的流速、流态变化。

在300年一遇(P=0.33%)的洪水情况下,桥位上游桥墩附近采样点工程后的水位升高值为0.001～0.004 m;桥位下游水位降低值为0.001～0.002 m。受桥墩阻水影响,桥墩上、下游采样点工程后的流速减小值为0.005～0.251 m/s;其他采样点由于桥墩的束水作用,流速分别有所增大,增值为0.001～0.057 m/s。流速变化呈现出由大桥所在断面向上、下游递减的规律。桥位断面工程前后流速横向分布见图3。

图3 桥位断面流速分布图(P=0.33%)Fig.3 Cross-section velocity distribution map at the bridge

在300年一遇(P=0.33%)的洪水情况下,各采样点流向变化为-9.23°～4.36°(正北方向为 0°,正方向为顺时针方向)。采样点流向突变主要出现在桥墩与堤防边缘,总体上,流向变化值从大桥所在断面向上、下游呈递减规律。

4 结 论

网河区水动力条件较为复杂,一、二维水动力数学模型联合运用在防洪评价数值模拟计算中较为常用。经一、二维水动力数学模型联合运用,李家沙特大桥建设后对桥位局部河段水域的水文条件影响如下:

1)引起李家沙水道水位壅高最大值仅0.001 m,壅高量级很小,对行洪的影响较小。

2)桥位河段与最相邻河段分流比略有减小,其余河段略有增加,变化值相当小,总体上对河道行洪流量或分流比影响甚微。

3)李家沙水道涨潮量和落潮量均稍小于工程前,减少量约1×104m3,变化值仅0.01%。其它相邻水道在工程前后纳潮流量变化也相当微小。

4)由于桥墩的阻水作用,桥位上游一定距离内网格单元水位有所升高;桥位下游水位降低。水位壅高最大点位于主桥墩前,水位降低最明显位置位于主桥墩后面。桥墩所在单元及其下游流速有所减小,桥孔及其下游流速有所增大,大桥上游流速总体减小。流向变化值较小,桥墩附近流向变化的绝对值稍显增大,采样点流向突变主要出现在桥墩与堤防边缘。

5)桥梁建设引起的局部河段水文条件变化主要在桥位区域,呈现出由大桥所在断面向上、下游递减规律。

[1]杨文海,路志强,刘 涛.公路桥工程穿越河流防洪影响评价[J].科技创新导报,2008,(18):47.

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