基于MIKE21 模型對(duì)橋梁施工期洪水影響分析

胡麗琴,王 進(jìn),陳雙飛

(1.貴州眾誠(chéng)天河水利工程有限公司,貴州 畢節(jié) 551700;2.貴州大學(xué),貴陽(yáng) 550025)

1 項(xiàng)目概況

曹娥江是錢塘江重要支流,上游屬山溪性河流,下游屬潮汐河道,干流長(zhǎng)197km,平均比降3.0‰,流域面積6 080km2。 主流澄潭江發(fā)源于磐安縣尚湖鎮(zhèn)城塘坪,流經(jīng)鏡嶺、澄潭、梅渚,至嵊州蒼巖,流向轉(zhuǎn)為東北,至下南田右納新昌江,再下行左匯長(zhǎng)樂江,北流4km 至萬(wàn)年亭附近,黃澤江由右岸匯入,向北流經(jīng)屠家埠、三界鎮(zhèn)入上虞市境,沿右岸有四明江、嵊溪(里東江)、盛岙溪,左岸有陸康溪等支流匯入,繼續(xù)向北經(jīng)章鎮(zhèn)右納隱潭溪、下管溪,以下左納范洋江、小舜江,至百官鎮(zhèn)折向西北,先后經(jīng)馬山閘、新三江閘等水閘左納蕭紹平原內(nèi)河諸水,在新三江閘下游15km 注入錢塘江河口段。

舜某大橋拼寬建設(shè)工程項(xiàng)目位于紹興市上虞區(qū)曹娥江上,該項(xiàng)目位于現(xiàn)在舜某大橋北側(cè)新建半幅橋,新建橋梁總長(zhǎng)857. 7m。 其中,主跨176m,標(biāo)準(zhǔn)斷面寬22. 5m;引橋全長(zhǎng)681. 7m,標(biāo)準(zhǔn)斷面寬16.75m。 該項(xiàng)目實(shí)施可解決城市核心區(qū)過江交通擁堵問題。

舜某大橋拼寬建設(shè)工程施工時(shí),將在江中修建臨時(shí)便道、鋼便橋、引橋等臨時(shí)設(shè)施,占用一部分過水面積,部分設(shè)施需在汛期施工,可能引起局部河段的水位變化和河床沖刷,影響洪水渲泄和標(biāo)準(zhǔn)塘的安全。 根據(jù)《中華人民共和國(guó)水法》《中華人民共和國(guó)防洪法》《河道管理范圍內(nèi)建設(shè)項(xiàng)目管理的有關(guān)規(guī)定》等法律法規(guī)的規(guī)定,必須對(duì)建設(shè)工程引起的江道行洪及堤防安全的影響進(jìn)行分析論證,為水行政主管部門審批提供技術(shù)依據(jù)。

本文采用MIKE21 水動(dòng)力模型,對(duì)工程施工臨時(shí)建筑進(jìn)行模擬,分析前后水位、流速變化對(duì)河道的防洪影響。

2 水動(dòng)力模型概述

2.1 MIKE21 簡(jiǎn)介及應(yīng)用

MIKE21(HD 模塊)是由丹麥水利研究所開發(fā)的高可靠性、高質(zhì)量和多功能性的專業(yè)軟件,用于流體動(dòng)力學(xué)、波浪、沉積物動(dòng)力學(xué)、水質(zhì)和生態(tài)學(xué)的2D 建模,適用于世界各地的所有水環(huán)境。數(shù)值模型在許多擬議的開發(fā)項(xiàng)目中發(fā)揮著重要作用,包括評(píng)估其潛在影響。

孫治平等[1]利用MIKE21 的二維水動(dòng)力模型進(jìn)行黃河上游跨河橋梁雍水?dāng)?shù)值模擬,模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)誤差小于5%。 MIKE21FM 模型具有適應(yīng)復(fù)雜地形和保證物質(zhì)通量守恒的優(yōu)點(diǎn),使用該模型計(jì)算時(shí)需注意地形準(zhǔn)確度要求高,應(yīng)使用精確的地形資料以避免誤差[2]。 任梅芳等[3]通過MIKE21FM 模型,計(jì)算橋前壅水值與經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算值的比較和分析,數(shù)學(xué)模型能夠更好地模擬復(fù)雜地形,提供更加合理的計(jì)算結(jié)果。 利用MIKE21FM HD 模型進(jìn)行非恒定流水動(dòng)力洪水演進(jìn)數(shù)值模擬,結(jié)合SuperMap GIS 軟件,進(jìn)行河道淹沒范圍圖繪制和河道洪水動(dòng)態(tài)演進(jìn)可視化系統(tǒng)開發(fā)。 模擬結(jié)果驗(yàn)證了模型的合理性,并得出了不同時(shí)段洪水演進(jìn)數(shù)據(jù)、最大淹沒水深、淹沒流速、 淹沒歷時(shí)等數(shù)據(jù)[4]。 龐中華[5]利用MIKE21 模型,計(jì)算了涉河建筑防洪影響,計(jì)算結(jié)果與實(shí)際水文觀測(cè)結(jié)果相符合,可為第三方洪水影響評(píng)價(jià)提供數(shù)據(jù)支撐。

2.2 水動(dòng)力模塊的原理

二維非恒定流水動(dòng)力模塊的原理基于二維不可壓縮流體雷諾平均應(yīng)力方程,公式如下：

描述平面二維水流連續(xù)方程為：

描述平面二維水流的動(dòng)量方程為：

側(cè)向應(yīng)力項(xiàng)Tij包括黏滯摩擦、湍流摩擦、差異平流,其值由基于水深平均的流速梯度的黏性渦黏性公式估算,公式如下：

2.3 模型所需數(shù)據(jù)

1)地形數(shù)據(jù)。 地形數(shù)據(jù)主要是模型計(jì)算范圍內(nèi)的地形建筑物等,這些數(shù)據(jù)通常是DEM、CAD 圖紙等,主要包含高程數(shù)據(jù)。

2)水文數(shù)據(jù)。 水文數(shù)據(jù)包含降雨、蒸發(fā)、歷史洪水、上下游的水位流量等數(shù)據(jù)。

3)粗糙系數(shù)。 粗糙系數(shù)是水力模型的一個(gè)重要參數(shù),對(duì)模型影響較大,一般可以參考經(jīng)驗(yàn)值或者通過模型區(qū)域?qū)崪y(cè)水文數(shù)據(jù)進(jìn)行率定。

3 計(jì)算實(shí)例

針對(duì)平面尺度較大、水深尺度較小、無(wú)明顯垂直環(huán)流以及垂向流速較小的淺水流動(dòng),可以采用靜水壓力假設(shè),并沿著水深方向進(jìn)行積分,以簡(jiǎn)化三維水流運(yùn)動(dòng)方程,這種簡(jiǎn)化后的流動(dòng)方程稱為平面二維淺水方程。 在考慮涉水建筑物的情況下,結(jié)合資料條件和河道特性,選擇使用平面二維MIKE 21FM 模型進(jìn)行計(jì)算,以模擬曹娥江江道的流動(dòng)情況。 由于該江道相對(duì)較為寬淺,平面二維淺水方程能夠有效描述其運(yùn)動(dòng)。

3.1 阻水分析

工程施工期,新橋+主橋鋼便橋及支架+引橋鋼管立柱+筑島平臺(tái)及鋼平臺(tái)同時(shí)存在。 在規(guī)劃工況百年一遇洪水位10.16m 條件下,最大新增阻水面積357. 33m2。 其中,新橋橋墩阻水面積144.45m2,鋼便橋及支架阻水面積79.04m2,引橋阻水面積26.47m2,筑島平臺(tái)阻水面積98.45m2,鋼平臺(tái)阻水面積7.48m2,行洪斷面總面積3 192.55m2。臨時(shí)阻水率最大約為11.20%。

3.2 模型計(jì)算工況

采用數(shù)學(xué)模型探討工程施工期間對(duì)水流的影響,主要通過工程施工期水位、流速、河床沖淤變化等指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比分析,預(yù)測(cè)舜某大橋拼寬工程施工期間對(duì)周邊水環(huán)境的影響。

洪水運(yùn)行存在兩種極端情況：①洪峰遭遇下邊界外江高潮位頂托,泄洪受阻,形成高水位情況;②洪峰與下邊界外江低潮位相遇,泄洪通暢,造成河道流速較大的情況。 據(jù)此,確定本次計(jì)算的水流條件,見表1。

表1 各計(jì)算組次及邊界條件

3.3 計(jì)算域概化

MIKE21 中有兩種網(wǎng)格生成方式,即結(jié)構(gòu)化、非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。 兩種方式各有優(yōu)缺點(diǎn);結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格優(yōu)點(diǎn)為數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,計(jì)算時(shí)對(duì)計(jì)算機(jī)CPU 占用較低,計(jì)算速度明顯較快;缺點(diǎn)為不能精確擬合河網(wǎng)邊界。 非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格很好地彌補(bǔ)了結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格缺點(diǎn),對(duì)于復(fù)雜的地形能更精確地?cái)M合模擬區(qū)域的邊界,更加精確地反映出實(shí)際地形的變化。

本次數(shù)學(xué)模型上下邊界見圖1。 整個(gè)計(jì)算域的面積約46km2,模型未考慮其它支流的流量匯入。 計(jì)算域內(nèi)的網(wǎng)格布設(shè)考慮了水流、地形梯度的差異,對(duì)水流、地形復(fù)雜河段以及工程附近區(qū)域的計(jì)算網(wǎng)格作了進(jìn)一步加密,以便更好地反映該地區(qū)水流、地形變化特征。

圖1 二維數(shù)學(xué)模型計(jì)算范圍

為保證流場(chǎng)模擬精度,本模型選擇非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格(圖2),而且對(duì)臨時(shí)支架及橋墩附近進(jìn)行加密處理(圖3、圖4),網(wǎng)格最小邊長(zhǎng)約0.5m。 整個(gè)計(jì)算域內(nèi)共布設(shè)41 308 個(gè)三角形單元、22 903個(gè)有效節(jié)點(diǎn)。

圖2 二維數(shù)學(xué)模型計(jì)算網(wǎng)格

圖3 方案二局部網(wǎng)格

圖4 方案三局部網(wǎng)格

對(duì)于橋墩及施工支架的處理,根據(jù)各橋墩的有效阻水寬度及支柱進(jìn)行了概化,并將其剖分至模型網(wǎng)格中,模型通過識(shí)別網(wǎng)格屬性,使其參與或不參與模型計(jì)算。 對(duì)于P14、P15 號(hào)橋墩處的筑島平臺(tái)處理(高程4.9m),采用地形修改,在模型內(nèi)對(duì)應(yīng)位置地形進(jìn)行填筑到對(duì)應(yīng)高程。

3.4 模型邊界

計(jì)算范圍的選取主要考慮兩個(gè)因素：①計(jì)算水邊界應(yīng)取在容易給定邊界條件的地方;②計(jì)算水邊界應(yīng)離工程區(qū)域足夠遠(yuǎn),以避免工程實(shí)施對(duì)邊界條件的影響。 根據(jù)以上原則,本次計(jì)算范圍設(shè)置為：上邊界設(shè)置在距擬建工程上游約15km,上邊界采用洪水流量;下邊界設(shè)置在距擬建工程下游約44km,采用出口斷面水位,模型初始條件設(shè)置3.5m 水位。

3.5 壅水影響分析

采用二維數(shù)學(xué)模型,分別對(duì)舜某大橋拼寬施工時(shí)與施工前百年一遇洪水設(shè)計(jì)工況進(jìn)行計(jì)算,對(duì)比舜某大橋的水位,分析由于受到舜某大橋拼寬后橋墩增加及臨時(shí)工程施工的阻水作用,在水流方向形成壅水和跌水現(xiàn)象。

舜某大橋所在河道斷面河寬約480～570m,主槽在此呈S 形彎曲,橋梁斷面主槽位于河道右側(cè),左側(cè)為半圓形凸?fàn)顬┑?灘地高程5. 30～10.7m。 舜某大橋老橋的橋梁布跨為：12×13m+10×35m+10×20m=706m,河道中間共有18 組橋墩。 新建半幅橋橋梁布跨：有11 組橋墩落在曹娥江河道之中,橋墩編號(hào)為P5-P15,除P14 和P15 號(hào)主跨橋墩落在河道主槽兩側(cè)外,其余橋墩均位于左岸灘地上。

引橋支架布設(shè)鋼管立柱共134 根,P15 鋼平臺(tái)設(shè)置24 根鋼管立柱,筑島平臺(tái)P14、P15 占據(jù)兩處水上平臺(tái)。

施工臨時(shí)支架對(duì)舜某大橋附近雍水影響見圖5-圖7。 由圖5-圖7 可知,由于橋墩和施工支架增加的阻水作用,在橋位上游形成壅水,越靠近橋墩,壅水現(xiàn)象越明顯。 在主跨大橋墩附近形成雍水極值,橋位下游斷面下游形成跌水,影響范圍橋下游約600m,橋上游約1 000m。

圖5 方案二與方案一水位差值等值圖

圖6 方案三與方案一水位差值等值圖

圖7 方案四與方案一水位差值等值圖

方案二相比于方案一,位于河道主槽左側(cè)P14號(hào)橋墩前部100m 范圍內(nèi)雍水明顯,雍高約0.04～0.11m,局部最高雍水約0.11m;位于河道主槽右側(cè)P15 號(hào)橋墩前150m 范圍內(nèi)雍高約0.04～0.10m,左岸灘地水位略有雍高,雍高在0.03m 以內(nèi)。

方案三相比于方案一,位于河道主槽左側(cè)P8-P11 號(hào)橋墩前部50m 范圍內(nèi)雍高約0.01～0.06m,P14 號(hào)橋墩前部50m 范圍內(nèi)雍高0.03～0. 09m,P15 號(hào)橋墩前部100m 范圍內(nèi)雍高0.03～0.10m。

方案四相比于方案一,主橋墩P14 與P15 前部雍水較明顯,橋墩前部100m 范圍雍高0.02～0.08m,左岸灘地水位略有雍高,雍高在0.02m 以內(nèi)。

3.6 流速影響及流場(chǎng)影響分析

當(dāng)曹娥江遭遇洪水時(shí),受上游微彎河道的導(dǎo)控,在上游人民大橋斷面,主槽居于河道中間,洪水主流沿著微彎的主槽演進(jìn),主流逐漸偏向右岸;到達(dá)舜某大橋斷面時(shí),主流基本位于河道右側(cè);過了舜某大橋斷面后,主流沿著河槽逐漸又向左岸偏轉(zhuǎn),左岸河道灘地,流速較小。

為分析舜某大橋拼寬工程施工期對(duì)流場(chǎng)的影響,對(duì)方案五、方案六、方案七、方案八的流場(chǎng)、流速變化進(jìn)行分析,施工期間對(duì)河流流向影響較小,河流的流向整體沒有改變,只是橋墩及支架阻水局部受影響。

由圖8、圖9、圖10 可知,舜某大橋拼寬工程區(qū)域,受橋墩及施工支架的影響,老橋、新橋橋墩及施工支架有所錯(cuò)位,流速流態(tài)大小變化更加復(fù)雜。 由于新增橋墩及施工支架阻水,P14-P15 橋墩間流速局部增加,流速增幅基本在0. 10 ～0.40m/s,左側(cè)灘地P8-P11 橋墩間流速增幅基本在0.20m/s 以內(nèi)。 橋位斷面橋墩及施工支架隱蔽區(qū)流速減小,減小幅度局部可達(dá)1.5m/s。 舜某大橋下游左側(cè)流速略有減小0.02～0.60m/s;右側(cè)有所增加,增幅約0.05m/s。 舜某大橋上游流速略有變化,流速減小幅度基本在0. 10m/s 以內(nèi),右側(cè)局部減小約0.30m/s。

圖8 方案六與方案五流速差值

圖9 方案七與方案五流速差值

圖10 方案八與方案五流速差值

4 防洪影響評(píng)價(jià)

從數(shù)模計(jì)算分析來(lái)看,上虞舜某大橋拼寬工程臨時(shí)工程對(duì)百年一遇洪水位的影響在橋位斷面水位壅高基本在0.04～0.13m,壅水影響范圍較小,僅在橋上游附近,因此對(duì)兩岸設(shè)計(jì)洪水位基本沒有影響。

1)該臨時(shí)工程不會(huì)對(duì)《曹娥江河口整治規(guī)劃》產(chǎn)生影響,也不會(huì)改變?cè)械陌毒€規(guī)劃。

2)工程施工期間,附近較小范圍內(nèi)流速大小發(fā)生變化,上下游河段流速最大變化幅度0.20m/s。

3)工程施工期間,在老橋+新橋+臨時(shí)工程同時(shí)存在的最不利情況下,與現(xiàn)狀相比,引起的洪水壅高在百年一遇洪水條件下為0.04～0.13m,影響區(qū)域主要在橋梁上下游局部區(qū)域內(nèi)。

4)舜某大橋拼寬工程施工期間,河道右側(cè)主槽將有0.2～0.6m 的沖刷,主墩兩側(cè)將有0.2～0.9m 左右的沖刷,河道左側(cè)灘地有沖有淤,大部分在-0.2～0.2m 之間。 由工程施工引起的沖淤量相對(duì)較小,且影響范圍僅局限于工程河段,從整體上來(lái)說(shuō),工程的實(shí)施不會(huì)改變河勢(shì)的穩(wěn)定。