Mike21FM和SMS軟件在機荷高速橋梁工程防洪評價數值模擬中的應用

鄧新超

(深圳市水務規劃設計院股份有限公司，廣東 深圳 518022 )

隨著社會經濟不斷發展，高速公路等建設項目逐漸增多，規模也逐漸增大，特別是在河道擬建橋墩后，使河道的行洪斷面、水流形態、沖淤平衡等發生一系列變化，進而影響河道排放口排水，甚至還有可能影響河勢穩定性。因此，需要通過Mike21FM數學模型結合SMS(Surface-Water Modeling System)軟件對工程區域進行模擬計算，求出工程壅水高度及長度、流速流場變化及設計水位，形成三維可視化效果，為防洪評價提供可靠依據，從而避免因工程建設給河道防洪安全造成影響。

1 項目概況

機荷高速公路工程屬于G15沈海高速公路深圳段，位于深圳市中心區域，是粵港澳大灣區東西向的交通中軸線，也是深圳境內通往機場的唯一一條東西走向的高速公路。起點位于龍崗區的荷坳立交，順接惠鹽高速；終點位于寶安區的鶴州立交，連接廣深高速，與深中通道順接，路線長約42km；該工程在道路樁號40+610—40+820段采用2跨型式通過九圍河，其中2座橋墩設置在河道行洪斷面內，因此，需要對河道內設置橋墩進行數學模擬計算。

2 模型建立及計算

2.1 模型計算方法

計算采用丹麥丹華水利環境技術有限公司(DHI)的Mike21FM軟件，屬于Mike系列軟件中的一種，Mike系列軟件廣泛地應用于潮汐、水流、水質、熱流通、湖震、風暴潮、密度流、波浪、泥沙侵蝕、船運、防波堤布置等二、三維水力學現象的研究，Mike系列也因此被推薦為河流、河口、湖泊和海洋近岸水流的仿真模擬軟件。

Mike21FM是二維水動力模型，該模型水動力的控制方程為納維-斯托克斯(Navier-Stokes)方程，模型采用有限體積法將水動力控制的偏微分方程進行離散并求解，模型可以采用不規則網格對地形進行貼合，提升計算精度。

2.2 模型范圍及網格劃分

2.2.1模型范圍

本次模型范圍初步界定在擬建橋梁上下游河道順直、河勢較為穩定的河段(樁號0+411.87—0+611.13)，首先將CAD地形數據轉化為Mike21FM模型可識別的地形數據，構建模型計算區域(如圖1所示)，并通過網格將地形數據離散化求解。本次橋梁的壅水分析計算考慮了河道內機荷高速現狀橋墩阻水作用，在設計標準洪水下通過網格將地形數據離散化進而求解1#和2#橋梁建設前后的水面線高程差，得出1#和2#橋梁的壅水情況。

圖1 壅水分析計算模型范圍及主要計算因素(單位：m)

2.2.2網格劃分

在高程數據質量及精度有限的情況下，生成的網格往往會出現局部異常，主要原因是地形數據缺失或高程異常所導致(如圖2所示)，本次計算模型區域采用SMS軟件對模擬區域地形進行處理，橋墩通過拔高概化，最終形成非結構三角網格，對2座擬建橋墩及5座現狀橋墩等主要構筑物在模型中的網格進行局部加密，如圖3所示。工程前后模型地形網格劃分如圖4所示。通過2種方法比較，聯合使用SMS軟件處理后生成的網格更加平滑、美觀，使得Mike21FM模擬計算結果更為精確、可靠。

圖2 未使用SMS軟件處理的地形三維效果圖

圖3 使用SMS軟件處理后的地形三維效果圖

圖4 工程前后模型地形Mike21 FM網格圖(單位：m)

2.3 計算工況

本次模擬計算在河道遭遇50a一遇設計標準洪水時建橋前后的壅水情況，模型設置2個開邊界，將九圍河上游設置為流量邊界，九圍河下游設置為水位邊界。根據設計洪水復核成果，九圍河上邊界50a一遇設計流量Q=84.32m3/s，同頻率下的九圍河下游設計洪水位H=28.13mm。

2.4 糙率選取

糙率(n值)是反映河床、岸壁形狀的不規則性和表面粗糙程度的一個系數，在水流運動過程中，直接影響沿程能量損失的大小。根據河道特性、河道的地形地貌資料及岸壁情況綜合確定河道糙率。

河道糙率選擇主要參照《水力計算手冊》，綜合考慮河道斷面現狀及規劃情況，根據不同的材料選取不同的糙率。模型計算范圍河道深淺不一，邊灘和河床糙率各不相同，故模型在設定糙率時采用隨水深的變化值，根據每個網格的水深值設定不同的糙率值。根據相關研究，變動糙率的取值為：

n=2n1(h≤1.0m)

(1)

n=n1+n2/h(h≤1.0m)

(2)

式中，h—水深，m，取正值;n1—河床沙粒糙率系數，其取值范圍為0.01～0.025；n2—河床形態糙率系數，其取值范圍為0.005～0.01；n1和n2合稱糙率系數。

根據模擬計算涉河處河段50a一遇工況下水深成果，如圖5所示。該河道內水深均大于1m，最深處水深達到5m，因此糙率計算方式采用式(2)取值，最后根據河道構筑物特征及取值公式取綜合糙率取值為0.028。

圖5 模擬河道水深圖(單位：m)

2.5 行洪影響綜合分析

2.5.1過流能力影響分析

主要分析橋梁修建后對九圍河行洪區域整體過流能力影響。根據模型分析計算可知，工程后水位較工程前有所上升，但河道水位上漲高度微小，水位不漫過左右岸堤頂高程，不對河道過流造成影響，詳情見表1，如圖6所示。

2.5.2流速變化影響分析

根據模型計算擬建橋墩局部流速圖，所在河段因橋墩修建后斷面縮窄，造成橋墩與流水方向兩側流速增大，橋墩下游因橋墩阻水效應而致流速減小，其中1#橋墩兩側流速為1.25m/s，2#橋墩兩側流速為1.05m/s，詳情如圖7所示，見表2。

表1 擬建1#和2#橋建橋前后九圍河水位變化情況(P=2%) 單位：m

表2 沖刷深度計算成果

由于本次擬建橋墩后將在橋墩處采用拋石進行防護，表面采用砌石整平，防護措施能滿足橋墩處最大1.25m/s流速，因此，工程可滿足抗沖刷要求。

2.5.3壅水影響分析

通過模型分析計算工程前后水面線，可以得出橋墩的壅水高度及長度。根據上述計算成果可知，1#橋墩工程前水位為28.148m，工程后水位為28.202m；2#橋墩工程前水位為28.131m，工程后水位為28.139m，見表3。擬建1#、2#橋墩處壅水流場圖如圖8所示。由圖8可知，擬建1#、2#橋墩后產生的橋墩處最大壅水值為0.054m，橋墩擬建所造成的水位壅高對河道行洪影響甚微，且河道沿岸排放口不造成影響。

表3 擬建1#和2#橋墩建橋前后九圍河水位變化情況

圖6 工程后1#、2#橋墩處水位與河岸關系三維圖

圖7 擬建1#、2#橋墩局部流速圖

圖8 擬建1#、2#橋墩處壅水流場圖

3 結論

由以上對模型地形數據的處理、分析和計算可得出以下結論。通過SMS(Surface-Water Modeling System)軟件刪除地形數據中的異常高程點，并將擬建橋墩拔高網格概化。經過處理后的模型網格精度更高，輪廓與實際更為貼近，以此可避免因網格地形凸變給模擬運算造成影響。運用Mike21FM模擬計算可以全面、準確、直觀地反映橋墩處的流場變化、壅水高度及范圍變化等特性。根據Mike軟件自帶的Mike Animator Plus工具顯示三維模擬效果，可以直觀判斷工程前、后模擬設計水位與河道堤頂、排水管涵及橋墩等位置關系，為實際工程建設提供科學依據，有利于提升橋梁工程防洪評價分析計算水平。