二維數(shù)學(xué)模型在甲一橋防洪評價中的應(yīng)用

1、二維數(shù)學(xué)模型在甲一橋防洪評價中的應(yīng)用河道中修建橋梁，一定程度上會影響原有河道的水文情勢，因為橋墩對河道起阻水的作用。根據(jù)?中華人民共和國水法?中華人民共和國河道管理條例?中華人民共和國防洪法?及1992年水利部與原國家計委結(jié)合公布的?河道管理范圍內(nèi)建立工程管理的有關(guān)規(guī)定?，對河道管理范圍內(nèi)的建立工程修建開發(fā)水利、防治水害、整治河道的各類工程和跨河、穿河、穿堤、臨河的橋梁、碼頭、道路、渡口、管道、纜線等建筑物及設(shè)施，需編制防洪評價報告，進(jìn)展防洪評價分析計算，主要通過建立橋梁工程跨越河段、河道二維數(shù)學(xué)模型，分析工程建立前后的流速、流態(tài)變化，分析工程建立工程興建對河段、河勢穩(wěn)定的影響。1工程概況甲一

2、橋位于廣西陽朔縣新城區(qū)甲一路與田家河穿插處，距田家河與漓江集合口1.43k，工程所在田家河流域面積為651k2，河長42.7k，流域面積為325.1k2，河道平均坡降為6.83，田家河流域地貌主要為河流侵蝕堆積地貌、部分巖溶地貌及少量的丘陵。河流侵蝕堆積地貌主要有河床，江心洲，田家河一、二級階地。巖溶地貌主要有峰林、殘峰等。河道彎曲總體呈形，兩岸未見基巖出露，僅部分河段河床出露基巖，兩岸為水田或旱地。甲一橋采用上承空腹式鋼筋混凝土等截面懸鏈線箱形拱橋，橋梁總長度為93.89，橋墩設(shè)于橋兩側(cè)，與橋臺相距7.76，高3.50，兩橋墩相距70，主拱跨徑為70，主拱橋兩側(cè)分別有3個小橋拱，跨徑分別為5

3、.5、5.5、5.34。2二維數(shù)學(xué)模型計算2.1二維數(shù)學(xué)模型計算方法二維數(shù)學(xué)模型計算采用IKE21Fldel簡稱IKE21F軟件進(jìn)展模擬計算。近年來，國際上出現(xiàn)了不少成熟的二維水力學(xué)模型。丹麥水力學(xué)研究所開發(fā)的二維數(shù)學(xué)模型模擬軟件IKE21是應(yīng)用較為廣泛的一款商業(yè)模型。它廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外河流、湖泊、河口、海灣、海岸等水動力模擬當(dāng)中，獲得了較好的效果，是目前國際上較為先進(jìn)的模型之一。計算采用IKE21F軟件中的HD模塊建立模型，該模塊采用垂向平均二維淺水方程，離散方法為有限差分法，計算方法采用ADIAlternatingDiretinIpliit和DSDubleSeep格式，其根本方程如圖。垂向

4、平均二維淺水方程：式中：h為水深；？灼為水面高程；p、q為x、y方向的單寬流量，其中p=uh，q=vh，u、v分別為x、y方向上沿水深的平均流速；為謝才系數(shù)；g為重力加速度；f為風(fēng)摩擦系數(shù)；V、Vx、Vy為風(fēng)速及在x、y方向上的分量，單位為/s；？贅為柯氏力參數(shù)，單位為s-1；pa為大氣壓強(qiáng)，單位為kg/s2；？籽？棕為水的密度，單位為kg/3；S、Six、Siy為源匯項及在x、y方向上的分量；？子、？子xx、？子yy為有效剪切力分量。2.2模型范圍及網(wǎng)格劃分模型采用的地形為11000現(xiàn)狀實(shí)測地形資料。甲一橋模擬范圍為橋梁上、下游共約1400，上、下游邊界間隔 橋梁分別為850、550。由于甲

5、一橋河道兩岸約40處規(guī)劃建立公路，公路防洪標(biāo)準(zhǔn)與陽朔縣城防洪標(biāo)準(zhǔn)一致，高程在20年一遇洪水位以上。甲一橋模型計算以兩岸公路為邊界，模型左、右岸邊界寬約150，其中河道寬約70，邊界間隔 河岸3050。模型的網(wǎng)格采用三角網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸約4。為了進(jìn)步模型的模擬精度，橋墩區(qū)域網(wǎng)格部分加密，橋墩周邊網(wǎng)格尺寸為0.81.4，模型網(wǎng)格數(shù)量約3802個。2.3水文邊界條件二維模型上邊界為開邊界，采用流量控制；下邊界為開邊界，采用水位控制。甲一橋下游水位由一維水面線計算成果查出橋梁斷面下游550的模型邊界水位作為起算水位。一維水面線計算如下。2.3.1計算斷面在漓江集合口上游約6.6k范圍內(nèi)結(jié)合11000實(shí)測

6、地形圖，一共加密布設(shè)了橫斷面69個干流，各斷面最小間距為50，最大間距為100，平均間距為95。2.3.2糙率通過現(xiàn)場歷史洪水調(diào)查結(jié)果，結(jié)合附近流域水文站水位糙率關(guān)系，確定本工程規(guī)劃范圍內(nèi)河道現(xiàn)狀綜合糙率0.0320.050，河道整治后主槽糙率為0.030，兩岸邊灘糙率為0.050。2.3.3洪峰流量陽朔城區(qū)漓江干流上游建立或在建斧子口、川江、小溶江和青獅潭4座水庫，根據(jù)各水庫防洪調(diào)度規(guī)那么，研究上游水庫對陽朔20年一遇設(shè)計洪水的削峰才能和對漓江水位的削減效果。由設(shè)計洪水地區(qū)組成分析可知，本文由論文聯(lián)盟.Ll.搜集整理經(jīng)上游水庫防洪調(diào)度后，漓江陽朔水文站削減的洪峰流量為1504103/s，水位

7、削落為0.120.33。田家河洪水受漓江干流頂托影響，一維水面線推求洪水組合按2種工況進(jìn)展計算，各頻率水面線采用的洪峰流量成果如下。15年一遇水面線。工況1：漓江陽朔站發(fā)生5年一遇設(shè)計洪峰流量為50603/s，相應(yīng)水位為111.48；田家河遭遇全年期2年一遇洪水5523/s。工況2：漓江陽朔站發(fā)生2年一遇洪水33953/s，相應(yīng)水位為109.62；田家河遭遇全年期5年一遇洪水9443/s。220年一遇水面線。工況1：漓江陽朔站發(fā)生20年一遇設(shè)計洪峰流量為70103/s，相應(yīng)水位為113.28；田家河遭遇全年期3年一遇洪水7403/s；工況2：漓江陽朔站發(fā)生3年一遇洪水42703/s，相應(yīng)水位為

8、110.64；田家河遭遇全年期20年一遇洪水16203/s。3100年一遇水面線。工況1：漓江陽朔站發(fā)生100年一遇設(shè)計洪峰流量為91203/s，相應(yīng)水位為114.95；田家河遭遇全年期5年一遇洪水9443/s；工況2：漓江陽朔站發(fā)生5年一遇洪水50603/s，相應(yīng)水位為111.48；田家河遭遇全年期100年一遇洪水24803/s。2.3.4起算斷面及起算水位起算斷面為田家河漓江集合口，根據(jù)漓江水面線坡降由陽朔站推得起算斷面100年一遇、20年一遇、5年一遇、3年一遇、2年一遇起算水位分別為114.95、113.33、111.53、110.66、109.64。據(jù)漓江上游防洪水庫調(diào)度方式，對20

9、年以下洪水沒有調(diào)蓄作用，由洪水組成分析結(jié)果，上游防洪水庫20年一遇、100年一遇削峰效果取典型年洪水削峰均值0.20考慮，那么經(jīng)水庫調(diào)蓄后20年一遇、50年一遇、100年起算水位分別為113.13、114.03、114.80，5年一遇、3年一遇、2年一遇起算水位分別為111.5、110.69、109.64。由上述根本資料和漓江與田家河間的2種洪水組合，采用河道非均勻漸變流伯努利方程式進(jìn)展計算，取外包線確定水面線成果?？紤]到各頻率水面線計算中的工況1成果水位低、流速大，從工程平安的角度考慮，本次工程按工況1推求的水位成果作為起算水位。設(shè)計流量、起算水位成果見表1。2.4二維模型概化由于本次評價的

10、橋梁為拱橋，兩側(cè)布置有副孔，模型難以準(zhǔn)確地模擬各橋拱副孔的過水水流流態(tài)，因此根據(jù)阻水面積將橋墩概化為方形墩。橋墩為實(shí)體，不過水。2.5計算參數(shù)IKE21F模型在建立完二維地形后，需對模型所使用的參數(shù)進(jìn)展設(shè)定，主要參數(shù)有計算區(qū)域的曼寧值、渦旋黏性系數(shù)、模型干濕度等。2.5.1曼寧值計算區(qū)域的曼寧值反映區(qū)域內(nèi)不同地物對水流的阻力作用，由糙率確定，等于糙率值的倒數(shù)。糙率主要通過驗證工程前一維水面線成果，通過調(diào)整糙率，使工程前各斷面水位成果與一維水面線成果相近，分析的計算曼寧值為32。2.5.2渦旋黏性系數(shù)渦旋黏性系數(shù)根據(jù)本地區(qū)洪水期水體資料選取，本次模型取的是默認(rèn)值0.28。2.5.3模型干濕度模型

11、干濕度是為了模型在計算二維洪水演進(jìn)時判斷水流在網(wǎng)格間傳遞的2個參數(shù)，低于dryingdepth，洪水不再演進(jìn)，高于dryingdepth低于fldingdepth，洪水演進(jìn)但不參與計算；高于fldingdepth，洪水演進(jìn)且參與計算。此參數(shù)越大，模型越穩(wěn)定。根據(jù)現(xiàn)場查勘對灘面組成的分析，本次計算dryingdepth選用0.0005，fldingdepth選用0.005。2.6模型的率定二維模型的率定主要是以一維水面線計算成果為根據(jù)，通過調(diào)整糙率等計算參數(shù)，使二維模型的計算水位與一維成果根本一致，從而得到二維模型的最終采用參數(shù)。2.7計算工況二維模型計算選擇流量大對橋梁最不利的工況，即田家河發(fā)

12、生100年一遇、漓江干流發(fā)生3年一遇，田家河發(fā)生20年一遇、漓江干流發(fā)生5年一遇，田家河發(fā)生5年一遇、漓江干流發(fā)生2年一遇條件下工程前后的3種工況。2.8計算成果為了能更好地反映甲一橋上下游的流速變化情況，本次在模型范圍內(nèi)布置A、B、橋梁斷面、D、E5個斷面，每個斷面布置5個點(diǎn)，讀取各點(diǎn)工程建立前后的流速變化情況。各點(diǎn)分別布置于主要河槽、灘槽、岸邊等位置，根本能反映工程前后流速變化情況。各斷面、點(diǎn)布置位置如圖1所示。從表2、圖2可知，工程前評價的甲一橋河段主槽河勢順直，水流流態(tài)根本平順，甲一橋段主槽5年一遇流速為1.452.68/s，20年一遇流速為1.853.50/s，100年一遇主槽流速為

13、2.243.97/s?？傮w趨勢是河槽比岸邊外表流速稍偏大。甲一橋河段過流斷面寬度相對較小，河深較大，各布置點(diǎn)流速值隨流量增大而增大。根據(jù)工程前后流態(tài)圖及表2可知：工程前后甲一橋河段各頻率流態(tài)變化根本相似。橋梁建成后，由于橋墩及拱架的阻水而壓縮了行洪斷面，又由于部分水頭損失而造成了壅水，同時周邊流速也發(fā)生變化：甲一橋5年一遇工程前后流速變化幅度為-0.310.23/s，橋梁斷面流速增大，最大為0.23/s；20年一遇流速變化幅度為-0.390.60/s，橋梁斷面流速增大，最大為0.60/s；100年一遇流速變化幅度為-0.580.54/s，橋梁斷面流速增大，最大為0.54/s。工程后橋梁斷面上游