橋梁建設(shè)對(duì)蓄滯洪區(qū)洪水演進(jìn)影響的模擬與分析
——以濛洼蓄洪區(qū)特大橋工程為例

劉麗紅, 蔣 鵬, 溫永帥

(安徽理工大學(xué) 地球與環(huán)境學(xué)院, 安徽 淮南 232001)

自然災(zāi)害威脅著人類的生存，同時(shí)加劇環(huán)境條件的惡化[1]。洪水災(zāi)害作為全球面臨的十大自然災(zāi)害之一，每年造成的直接經(jīng)濟(jì)損失約占全球自然災(zāi)害總損失的20%[2]，其中我國約有75%的國土面積存在洪水的隱患。隨著強(qiáng)降雨天氣引發(fā)的一系列洪澇災(zāi)害以及因洪澇災(zāi)害引起的次生地質(zhì)災(zāi)害，給國家和人民造成了不可估量的人身及財(cái)產(chǎn)損失[3]，2019年全國15省(自治區(qū)、直轄市)發(fā)生了108起造成人員死亡的山洪災(zāi)害事件，導(dǎo)致347人死亡[4]。

根據(jù)已有的數(shù)據(jù)資料快速推演、預(yù)估洪水災(zāi)害帶來的影響，獲取洪災(zāi)發(fā)生后洪水淹沒范圍以及洪水對(duì)蓄洪區(qū)流域橋梁、堤岸等建筑的影響資料，對(duì)防洪減災(zāi)具有重要意義。目前，對(duì)洪水演進(jìn)進(jìn)行模擬的方法主要有物理模型方法、水文模型法和水力學(xué)遞推法。物理模型法主要通過簡(jiǎn)化地形、概化建筑物以及流態(tài)監(jiān)測(cè)等研究洪水演進(jìn)過程，董柏良等[5]建立了具有典型街區(qū)構(gòu)造的洪水演進(jìn)物理模型，定量分析了建筑物密度、綠化帶設(shè)置等對(duì)洪水演進(jìn)過程帶來的影響，但是物理模型法有靈活性不高，受制于場(chǎng)地、經(jīng)費(fèi)等因素以及耗時(shí)長等缺點(diǎn)。在水文模型法中馬斯京根法[6]的應(yīng)用最為廣泛，馬斯京根法雖然能夠模擬洪水在河流中的運(yùn)動(dòng)，并且易于穩(wěn)定，步驟簡(jiǎn)單，但難以對(duì)地形相對(duì)復(fù)雜的河道進(jìn)行分析。水力學(xué)遞推法的核心是求解圣維南方程組，水力學(xué)模型目前主要可以分為3類，即一維水動(dòng)力模型、二維水動(dòng)力模型和三維水動(dòng)力模型。一維水動(dòng)力數(shù)值模型適用于對(duì)河段較長、河網(wǎng)簡(jiǎn)單的河流，蘇飛等[7]通過建立一維河網(wǎng)水動(dòng)力模型在洪水水流模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行了枯水期水流運(yùn)動(dòng)模擬，模型能模擬出不同時(shí)期的水流運(yùn)動(dòng)，但對(duì)于面上水力要素計(jì)算精度有所缺乏。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，三維水動(dòng)力數(shù)值模擬逐步應(yīng)用，李大鳴等[8]應(yīng)用垂向坐標(biāo)變換，結(jié)合水平有限元、垂向有限差分的分層方法建立了河道三維水流泥沙數(shù)學(xué)模型，對(duì)過流斷面變化劇烈的河段提出了錯(cuò)層計(jì)算的方法。三維水動(dòng)力模型相對(duì)于一維水動(dòng)力模型和二維水動(dòng)力模型有更高的精度，能反映垂向上水力要素的變化，但建模資料需求更為嚴(yán)格、全面且所耗時(shí)長會(huì)更高。水力遞推法中平面二維水流數(shù)學(xué)模型以垂線平均的水流因素作為研究對(duì)象，能夠很好地模擬計(jì)算平面流場(chǎng)及細(xì)部的變化情況，既能反映出水力因素在面上的分布及變化，又相對(duì)三維模型更為簡(jiǎn)便，目前應(yīng)用廣泛。其中，MIKE 21模型是水力遞推法平面二維水動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬軟件，具有強(qiáng)大的前、后處理功能。在前處理方面，能根據(jù)地形資料進(jìn)行網(wǎng)格的劃分;在后處理方面具有強(qiáng)大的分析功能。例如流場(chǎng)動(dòng)態(tài)演示，計(jì)算特征點(diǎn)水位，實(shí)測(cè)與計(jì)算過程的驗(yàn)證，不同方案的比較等[9]。同時(shí)在蓄洪區(qū)水力遞推法二維水動(dòng)力模擬研究較少，本文以安徽省阜陽市阜南縣濛洼蓄洪區(qū)的真實(shí)地形資料及淮河特大橋設(shè)計(jì)資料構(gòu)建了基于MIKE 21非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的洪水演進(jìn)影響模型，結(jié)合Global Mapper中地形分析模塊生成糙率，并通過歷史洪水過程對(duì)干濕水深等參數(shù)進(jìn)行率定驗(yàn)證，采用納什效率系數(shù)對(duì)模型進(jìn)行控制，考慮橋梁建設(shè)后橋墩的阻水，并結(jié)合地形數(shù)據(jù)和數(shù)值計(jì)算結(jié)果對(duì)洪水演進(jìn)過程中分洪歷時(shí)、流速分布、水位變化等特征進(jìn)行分析，旨在為濛洼蓄洪區(qū)防洪避災(zāi)、河道安全行洪及水量分配等提供一定的參考。

1 研究區(qū)概況

濛洼蓄洪區(qū)是淮河流域于1953年設(shè)立的第一座行蓄洪區(qū)，位于安徽省西北部阜南縣境內(nèi)，處東經(jīng)115°16′30″—115°57′18″，北緯32°24′19″—32°54′40″之間亞熱帶與暖溫帶的過渡帶，屬暖溫帶半濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫15 ℃左右，年均降水量900 mm左右。濛洼蓄洪區(qū)處于淮河干流洪河口以下至南照集之間，南臨淮河，北臨濛河分洪道，汛期四面環(huán)水[10]。濛洼蓄洪區(qū)內(nèi)地面高程一般為26.0～21.0 m，地勢(shì)由西南向東北傾斜[11]。淮河特殊的地理?xiàng)l件，使得王家壩閘位于三河交界的扼襟控咽之處，而有了千里淮河“第一閘”的稱號(hào)。王家壩閘也被譽(yù)為淮河防汛的“晴雨表”，是淮河災(zāi)情的“風(fēng)向標(biāo)”，同時(shí)習(xí)近平總書記也指出要把防汛抗洪工作作為重大任務(wù)，把確保人民群眾生命安全放在首位。自1953年開始，僅有13個(gè)年份16次開閘蓄洪，最近一次開蓄洪時(shí)間是2020年7月。現(xiàn)狀蓄洪區(qū)，設(shè)計(jì)蓄洪水位27.7 m，設(shè)計(jì)進(jìn)洪流量1 626 m3/s，設(shè)計(jì)蓄洪庫容7.50×108m3[12]。

擬建王家壩特大橋(圖1)作為規(guī)劃S238南延段的一段，是阜南縣南北向中軸線的重要組成部分，也是阜陽市與河南固始縣、淮濱縣省際干線公路通道跨越淮河的控制性工程，擬建王家壩淮河特大橋全長12 680.5 m，設(shè)計(jì)主要控制點(diǎn)由北向南分別為濛左堤、濛河、濛洼蓄洪區(qū)北圈堤、王家壩保莊圩、濛洼蓄洪區(qū)南圈堤、淮河主河道，跨越淮河后進(jìn)入河南境內(nèi)。橋梁工程跨越淮河干流、濛洼蓄洪區(qū)和濛河分洪道及相應(yīng)堤防，大橋橋墩和基礎(chǔ)位于河灘地及堤腳附近，工程建設(shè)勢(shì)必會(huì)對(duì)河勢(shì)穩(wěn)定、河道行洪、通航以及河道治理規(guī)劃等產(chǎn)生一定的影響。

2 濛洼蓄洪區(qū)模型構(gòu)建

2.1 模型介紹

MIKE 21模型是研究地表水運(yùn)動(dòng)的二維數(shù)值模擬軟件，運(yùn)用在眾多水動(dòng)力模擬科研和工程實(shí)踐中，模擬效果較好，對(duì)預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)工作具有較大的指導(dǎo)性意義[13]。

MIKE 21水動(dòng)力學(xué)基本方程如下[14]

平面二維水流的連續(xù)方程為：

(1)

平面二維水流動(dòng)量方程：

(2)

式中：Pa為當(dāng)?shù)卮髿鈮簭?qiáng)。

(3)

圖1 王家壩特大橋濛洼蓄洪區(qū)區(qū)域、橋梁位置、進(jìn)出口閘門示意圖

2.2 模擬范圍

模型計(jì)算范圍為濛洼蓄洪區(qū)，蓄洪區(qū)以淮河左堤和濛河分洪道右堤，以及王家壩進(jìn)洪閘和曹臺(tái)孜退水閘構(gòu)成蓄洪圈堤，總面積約為180.4 km2。自1953年濛洼蓄洪區(qū)建成運(yùn)用至今，區(qū)內(nèi)平面形態(tài)基本無變化，但王家壩河段中低水大斷面處卻有變化，主要體現(xiàn)在橫向變形伴隨著深泓下切，斷面趨于窄深，高水兩汊沖淤相加，大斷面總體呈微沖趨勢(shì)，進(jìn)出水兩閘門附近地形變化較大，故地形采用實(shí)測(cè)濛洼蓄洪區(qū)資料，計(jì)算區(qū)域、橋梁位置、進(jìn)出口閘門如圖1所示，原始地形資料處理后得到的模擬范圍地形如圖2所示。

2.3 網(wǎng)格剖分

濛洼蓄洪區(qū)并非類長直河道，形狀極不規(guī)則，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算，模型對(duì)莊臺(tái)及王家壩特大橋橋墩等部位網(wǎng)格進(jìn)行局部加密(圖3a)，同時(shí)扣除王家壩等保莊圩的保護(hù)范圍。共劃分40 000個(gè)網(wǎng)格，布置110 278個(gè)節(jié)點(diǎn)，計(jì)算單元201 342個(gè)，為了反映橋墩處水力要素情況，扣除橋墩主體并加密橋墩節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)。其中橋墩在長直橋梁段采用并排式(圖3b)設(shè)計(jì)，在彎道處橋墩交錯(cuò)(圖3c)減小水阻，橋墩局部網(wǎng)格如圖3所示。

圖2 濛洼蓄洪區(qū)洪水演進(jìn)范圍地形圖

圖3 濛洼蓄洪區(qū)橋墩局部網(wǎng)格加密計(jì)算模型示意圖

2.4 參數(shù)設(shè)置

根據(jù)模型網(wǎng)格大小、水深條件動(dòng)態(tài)調(diào)整模型計(jì)算時(shí)間步長，使CFL(Courant-Friedrich Levy)數(shù)小于0.8，達(dá)到滿足模型穩(wěn)定的要求，模型計(jì)算時(shí)間步數(shù)10 000，時(shí)間步長60 s[15]。結(jié)合Global mapper軟件生成糙率替代傳統(tǒng)手動(dòng)劃分糙率，陸地邊界選擇垂向零流速邊界(滑動(dòng)邊界)，上游進(jìn)口邊界采用王家壩閘流量過程，下游出口邊界采用曹臺(tái)孜閘流量過程。

3 洪水演進(jìn)模型驗(yàn)證

本文采用納什效率系數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證模型數(shù)據(jù)與最新實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的吻合度，且進(jìn)洪過程與退洪過程銜接模擬避免分布模擬時(shí)水體分布變化的影響。選取距今最近一次蓄退洪過程即2020年7月20日08：00至8月28日08：00作為模型驗(yàn)證時(shí)段，模擬濛洼蓄洪區(qū)2020年一號(hào)洪水的進(jìn)洪過程，上游邊界條件采用2020年王家壩閘實(shí)測(cè)流量過程，下游邊界曹臺(tái)孜閘實(shí)測(cè)流量過程，2020年一號(hào)洪水開閘進(jìn)洪流量1 310 m3/s，峰值流量達(dá)1 850 m3/s，歷時(shí)約76.5 h，蓄洪總量3.75×108m3，進(jìn)、出口閘實(shí)測(cè)流量過程如圖4所示。

王家壩開閘進(jìn)洪后，洪水到達(dá)曹臺(tái)孜閘附近，大約需要2 d時(shí)間。通過曹集水位站對(duì)濛洼蓄洪區(qū)進(jìn)洪前、洪水演進(jìn)24 h時(shí)刻以及洪水演進(jìn)48 h時(shí)刻水位驗(yàn)證，計(jì)算水位與實(shí)測(cè)水位吻合，模型納什效率系數(shù)為0.93(圖5)。模型的模擬過程與實(shí)測(cè)成果吻合很好，建立的模型參數(shù)選擇合理，能夠較好地模擬濛洼蓄洪區(qū)內(nèi)的洪水實(shí)時(shí)演進(jìn)過程，可用于橋梁建設(shè)前后影響對(duì)比分析。

4 橋梁建設(shè)前后洪水演進(jìn)特征分析

橋梁工程建設(shè)對(duì)蓄洪區(qū)洪水演進(jìn)的影響主要體現(xiàn)在橋墩阻水延緩蓄洪區(qū)洪水進(jìn)洪時(shí)間；橋梁前后水位變化使得流速分布變化；阻水建筑物直接導(dǎo)致橋前水位抬升。

4.1 蓄洪區(qū)進(jìn)洪時(shí)間特征分析

為分析方便，本次主要對(duì)濛洼蓄洪區(qū)進(jìn)洪過程進(jìn)行模擬分析，初始條件為濛洼蓄洪區(qū)上邊界王家壩閘開閘進(jìn)洪，設(shè)計(jì)洪量為1 626 m3/s。選取工程位置附近特征點(diǎn)(t1，t2，t3)及濛洼蓄洪區(qū)內(nèi)各特征點(diǎn)(t4，t5，t6)，分析工程前后不同特征點(diǎn)處水位達(dá)到設(shè)計(jì)蓄洪水位所需的時(shí)間(圖6)。橋梁工程修建后，橋位附近特征點(diǎn)(t1，t2，t3)位置處較其他位置特征點(diǎn)分洪歷史變化大，橋位附近t2特征點(diǎn)分洪歷時(shí)比工程修建前滯后45 s(表1)。

圖4 王家壩、曹臺(tái)孜閘實(shí)測(cè)流量過程線

圖5 濛洼蓄洪區(qū)2020年洪水演進(jìn)過程模擬結(jié)果

表1 工程前后洪水到濛洼蓄洪區(qū)各特征點(diǎn)時(shí)間

4.2 蓄洪區(qū)流速分布特征分析

工程建設(shè)后區(qū)內(nèi)進(jìn)洪洪水演進(jìn)計(jì)算結(jié)果表明，自王家壩閘開閘進(jìn)洪開始，洪水到達(dá)曹臺(tái)孜附近，大致需要2 d時(shí)間。洪水演進(jìn)過程中，橋址斷面的流速整體較小，約0.2～0.4 m/s；橋區(qū)范圍的主流區(qū)寬度約200 m，對(duì)應(yīng)線路樁號(hào)K36+000—K36+200范圍，主流區(qū)流速值為0.4～0.6 m/s(圖7)。

濛洼蓄洪區(qū)橋梁建成后，洪水的行洪受到橋墩影響，水流場(chǎng)在橋墩附近發(fā)生繞流，變化范圍主要為橋墩局部，水流場(chǎng)整體流速較小，附近其他網(wǎng)格處的流速和流向并未發(fā)生變化。洪水演進(jìn)96 h時(shí)，部分橋墩墩周流場(chǎng)分布局部放大情況如圖8所示。

圖6 濛洼蓄洪區(qū)洪水演進(jìn)歷時(shí)特征點(diǎn)分布

圖7 濛洼蓄洪區(qū)洪水演進(jìn)橋區(qū)附近流速分布(48 h)

圖8 蓄洪區(qū)洪水演進(jìn)96 h墩周流場(chǎng)分布(局部)

濛洼蓄洪區(qū)內(nèi)流速會(huì)隨著橋梁建設(shè)產(chǎn)生相應(yīng)變化，蓄洪區(qū)分蓄洪階段，區(qū)內(nèi)流速整體受建橋影響較小，但對(duì)局部流速影響較大，流速峰值最大增幅為0.044 m/s，流速變化率最大7.409%。且工程前后各特征點(diǎn)的流速峰值差距很小，濛洼蓄洪區(qū)內(nèi)工程前后特征點(diǎn)相應(yīng)的流速峰值統(tǒng)計(jì)情況詳見表2。

4.3 蓄洪區(qū)水位變化特征分析

由于橋墩的阻壅作用，蓄洪區(qū)進(jìn)退洪過程中，位于橋墩區(qū)域水流會(huì)有抬高或降低，導(dǎo)致蓄洪區(qū)內(nèi)水位變化。

表2 濛洼蓄洪區(qū)各特征點(diǎn)流速峰值及出現(xiàn)時(shí)間比較

為了反映工程后蓄洪區(qū)內(nèi)蓄水位的變化情況，選取具有代表性的特征點(diǎn)的水位過程進(jìn)行分析。通過特征點(diǎn)處工程前后濛洼蓄洪區(qū)進(jìn)洪過程的水位差值分析(分別選取蓄洪區(qū)洪水演進(jìn)48 h，72 h及96 h時(shí)間點(diǎn)的工程前后水位差值)，結(jié)果表明，不同洪水演進(jìn)時(shí)間點(diǎn)，橋墩附近點(diǎn)位受到橋墩影響有所變化，進(jìn)洪期間橋墩附近最大抬高值為0.006 m，水位最大變化率為-0.22‰。表3反映了不同時(shí)刻蓄洪區(qū)內(nèi)各點(diǎn)位處水位對(duì)比情況。

5 結(jié) 論

(1) 本文對(duì)濛洼蓄洪區(qū)建立了二維水動(dòng)力模型，將蓄洪退洪過程作為整體統(tǒng)一進(jìn)行數(shù)值模擬，驗(yàn)證結(jié)果顯示模擬水位與歷史水位納什效率系數(shù)為0.93，模型設(shè)計(jì)合理，計(jì)算結(jié)果可靠，可用于橋梁建設(shè)工程水流數(shù)值模擬。

(2) 蓄洪區(qū)進(jìn)退洪時(shí)，大橋附近主流區(qū)域分布在線路樁號(hào)K36+000—K36+200段，主流區(qū)流速值為0.4～0.6 m/s，其余部分流速較小。水流場(chǎng)在橋墩附近出現(xiàn)了明顯的繞流，對(duì)橋墩附近流速場(chǎng)有影響；工程建成前后，通過特征點(diǎn)流速峰值對(duì)比分析，流速變化率最大為7.409%；進(jìn)洪期間橋墩附近最大抬高值為0.006 m，水位變化率最大為-0.22‰；工程建成前后，洪水到達(dá)蓄洪區(qū)內(nèi)各特征點(diǎn)的最大時(shí)間差為45 s。

表3 各時(shí)刻蓄洪區(qū)內(nèi)各點(diǎn)位處水位對(duì)比情況

(3) 本文以濛洼蓄洪區(qū)特大橋工程為例，模擬分析橋梁建設(shè)對(duì)蓄滯洪區(qū)洪水演進(jìn)影響，模型能夠較好地模擬蓄洪區(qū)內(nèi)水力要素變化情況，且對(duì)于開展抗洪防澇工作及蓄洪區(qū)內(nèi)工程建設(shè)具有較強(qiáng)的指導(dǎo)意義。然而MIKE 21二維水動(dòng)力數(shù)值模擬對(duì)地形數(shù)據(jù)依賴性極強(qiáng)，以垂線平均值處理在深度方向的水力要素，也忽略了對(duì)流項(xiàng)的影響，在今后的研究中需要進(jìn)一步的完善。