江湖匯流段特大涉水建筑物行洪影響研究

曹　兵，王海洋（.東營市水利局，山東 東營 5709；.東營市財政局，山東 東營 5709）

江湖匯流段特大涉水建筑物行洪影響研究

曹兵1，王海洋2
（1.東營市水利局，山東 東營 257091；2.東營市財政局，山東 東營 257091）

【摘要】以長江與洞庭湖匯流段擬建某特大橋為例，采用數值模擬手段，分析了修建大橋對匯流段行洪的影響。數值模擬結果表明，特大橋修建對江湖匯流段行洪影響較小。

【關鍵詞】特大涉水建筑物；匯流段；行洪；大橋；數值模擬

長江與洞庭湖匯流段是長江防洪最敏感的河段之一，自古以來就是洪水災害的多發地區，在此修建特大涉水建筑物必須考慮對匯流段行洪的影響。擬建某特大橋是國家某高速公路岳陽至常德段的控制性工程，跨越長江與洞庭湖匯流段，穿越方案位于湖南省岳陽市七里山附近，東岸為岳陽市區，西岸為岳陽市君山區。大橋橋軸線為東南至西北走向，與主河槽軸線斜交，斜交角度為57°。大橋全長8182m，其中主橋采用2008m雙塔雙跨懸索橋；河道內布置85座橋墩，設主墩一個，其余為輔墩。

1　　數學模型的建立

1.1控制方程及定解條件

采用基于水深平均的平面二維數學模型來描述水流運動。直角坐標系下水流運動的控制方程為：

水流連續方程：

水流運動方程：

式中：Z為水位；H為水深；u、v為x、y方向的流速；n為糙率系數；g為重力加速度；vT為水流紊動擴散系數，vT=α0u*H，α0=0.2，u*為摩阻流速，

定解條件：包括初始條件與邊界條件。邊界條件為上游給定垂線平均流速沿河寬的分布，下游給出水位沿河寬的分布。對于岸邊界，則采用水流無滑移條件，即取岸邊水流流速為零。在計算時，由計算開始時刻上、下邊界的水位確定模型計算的初始條件，河段初始流速取為零，隨著計算的進行，初始條件的偏差將逐漸得到修正，其對最終計算成果的精度不會產生影響。

1.2數值計算方法

直角坐標系下，水流運動的控制方程可用如下通用形式表示：

式中：φ為通用變量，Γ為廣義擴散系數，S為源項。以四邊形單元為控制體，待求變量存儲于控制體中心。采用有限體積法對控制方程進行離散，用基于同位網格的SIMPLE算法處理水流運動方程中水深和速度的耦合關系。離散后的代數方程組可以寫成如下形式：

離散方程組由x方向動量方程，y方向動量方程和水位修正方程三個方程構成，用Gauss迭代法求解線性方程組。

1.3相關問題的處理

由于江湖匯流段水位變化較大，再加上其形態也頗為復雜，要精確反映邊界位置的變化是比較困難的。為體現不同水位條件下邊界位置的變化，采用了動邊界技術，也即將露出單元的河床高程降至水面以下，并預留薄層水深，同時更改單元的糙率，使得露出單元的水流運動速度為零，水深為預留薄層水深，水位值由附近未露出點的水位值外插而得到。

二維數學模型的主要參數是糙率系數，其實際上是一反映水流阻力的綜合系數。在本次計算過程中，根據模擬河段本次實測的水文資料及歷史水文資料，按曼寧公式計算斷面平均糙率，作為初始計算的糙率值，再考慮到糙率隨水深有深水區比淺水區糙率小的變化趨勢，因此，在模型計算中用節點水深對斷面平均糙率進行修正，再根據水位、流場情況對糙率系數進行分段調試。

2　　數學模型的驗證

采用匯流段2008-11的同步水文地形資料（長江來水流量12000m3/s，洞庭湖來水流量13100m3/s）進行模擬計算。實測期間在河道內布置了若干斷面進行水位及垂線平均流速的測量。

驗證計算結果表明，水位的計算值與實測值的誤差一般小于3cm；流速的計算值與實測值基本一致，兩者的誤差一般小于±5%。可見，本文采用的數學模型可準確地模擬匯流段的水流運動，可以用以研究大橋修建對河段行洪的影響。

3　　計算工況與計算結果

3.1計算工況與橋墩處理

采用防洪設計洪水與20年一遇洪水作為計算工況。防洪設計洪水條件下，長江流量為41400m3/s，洞庭湖流量為39400m3/s；而在20年一遇洪水條件下，長江流量為30200m3/s，洞庭湖流量為38100m3/s。為在數學模型中反映擬建工程對河道水流的影響，一方面在網格剖分時盡可能在工程附近對網格進行局部加密，另一方面則采用局部地形修正與局部加糙進行概化處理來反映其影響。

3.2計算結果

1）水位變化情況。在防洪設計洪水條件和20年一遇洪水條件下，在主槽內，水位壅高最大值分別為0.3cm；灘地水位壅高最大值為1.7cm和 1.5cm；匯流段水位降低最大降低值為1.6cm和1.3cm；水位變化大于0.3cm的范圍位于工程上游730m和570m，工程下游970m和680m的區域內。總體上說，工程實施后，河道水位的變化主要集中在工程附近的局部區域內，具體表現為工程上游水位壅高，而在其下游水位則有所降低；不同計算工況下，工程修建引起的匯流段水位變化值與變化范圍均不大。

2）流速變化情況。在防洪設計洪水條件下，工程實施后，主槽內流速增加，增加值最大為0.03m/s，流速增加0.02m/s的影響范圍位于橋位上游960m。在灘地上流速減小的最大值為0.1m/s，水流流速增加的最大值為0.06m/s。對匯流段而言，流速減小0.02m/s的影響范圍位于橋位上游約130m及橋位下游約690m的范圍內；流速增加0.02m/s的影響范圍位于橋位上游約360m及橋位下游約540m的范圍內。

在20年一遇洪水條件下，工程實施后，主槽內流速增加，增加值為0.02m/s，影響范圍位于橋位上游310m。在灘地上流速減小的最大值為0.08m/s，水流流速增加的最大值為0.04m/s。對匯流段而言，流速減小0.02m/s的影響范圍位于橋位上游約100m及橋位下游約560m的范圍內；流速增加0.02m/s的影響范圍位于橋位上游約290m及橋位下游約430m的范圍內。

綜上可知，建橋后流速變化主要集中在橋位斷面上下游附近的局部區域內，主要表現為橋墩上下游局部區域流速減小，部分區域流速略有增加。

4　結語

計算結果表明，大橋修建引起匯流段的水位最大壅高值為1.7cm，水位最大降低值為1.6cm，水位變化大于0.3cm的最大范圍位于工程上游730m、工程下游970m的區域內；大橋修建引起匯流段的流速減小最大值為0.1m/s，流速增加的最大值為0.06m/s，流速變化0.02m/s的最大范圍位于工程上游360m、工程下游690m的區域內。綜上數據可見，特大橋的修建對該江湖匯流段的行洪影響較小。

（責任編輯趙其芬）

【中圖分類號】TV143

【文獻標識碼】B

【文章編號】1009-6159（2015）-04-0018-02

收稿日期：2015-01-13

作者簡介：曹兵（1983—），男，博士，工程師