南四湖特大橋防洪評(píng)價(jià)的數(shù)值模擬

劉莉莉，鞏向鋒，桑國(guó)慶

（1.山東省水利科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南250014；2.山東省水資源與水環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南250014；3.濟(jì)南大學(xué),山東 濟(jì)南250022）

擬建日照（嵐山）至菏澤公路橫貫魯南、魯西南地區(qū)，是山東省“八縱四橫一環(huán)八連”高速公路網(wǎng)中“一環(huán)”的組成部分。該項(xiàng)目東起日照市嵐山區(qū)，向西經(jīng)臨沂、棗莊、濟(jì)寧、菏澤5 市16 個(gè)縣（市、區(qū)），橫貫了整個(gè)“魯南經(jīng)濟(jì)帶”，止于菏澤市境內(nèi)，全長(zhǎng)約400 km。南四湖特大橋位于南四湖大斷面樁號(hào)26K+000 左右處，本文采用沂沭泗河洪水東調(diào)南下工程的規(guī)劃成果，利用2000 年測(cè)繪的南四湖1∶10 000 水下地形，結(jié)合橋梁設(shè)計(jì)單位測(cè)繪的1∶5 000 帶狀地形圖，選取湖內(nèi)樁號(hào)23K+000～29K+000 斷面之間的湖區(qū)作為模型上、下游邊界；利用DHI mike21 軟件，建立二維非恒定流水力學(xué)數(shù)學(xué)模型，分析橋墩對(duì)湖區(qū)水位、流速等參數(shù)的影響。

1 模型邊界及網(wǎng)格劃分

1.1 模型范圍

南四湖特大橋湖東跨越點(diǎn)在濟(jì)寧市微山縣兩城鎮(zhèn)黃山村與白沙村之間，此段無(wú)堤防；湖西跨越點(diǎn)在濟(jì)寧市魚(yú)臺(tái)縣張黃鎮(zhèn)西王莊南300 m處；位于南四湖大斷面26 km 左右處。為了能準(zhǔn)確反映工程對(duì)湖內(nèi)行洪能力影響，選取湖內(nèi)23K+000～29K+000 斷面之間的湖區(qū)作為模型上、下游邊界；模型左邊界為京杭運(yùn)河西航道堤防，右邊界為湖東堤，上游設(shè)置白馬河入流邊界。

1.2 資料提取

按照傳統(tǒng)的一維水力學(xué)模型只能得到南四湖特大橋所在26K+000 斷面的平均水位與流量，無(wú)法進(jìn)一步對(duì)行洪道、航道、南陽(yáng)島等西部區(qū)域進(jìn)一步評(píng)價(jià)，無(wú)法滿足2004 年水利部制定的《河道管理范圍內(nèi)建設(shè)項(xiàng)目防洪評(píng)價(jià)報(bào)告編制導(dǎo)則》（試行）有關(guān)要求。為此，本文利用2000 年測(cè)繪的南四湖1∶10 000 水下地形圖，結(jié)合橋梁設(shè)計(jì)單位測(cè)繪的1∶5 000 帶狀地形圖，對(duì)1∶10 000 水下地形圖航道及行洪道區(qū)域高程進(jìn)行了修正。采用沂沭泗河洪水東調(diào)南下工程的規(guī)劃成果，建立了橋梁所在局部區(qū)域的二維非恒定流水動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行調(diào)算。

對(duì)整個(gè)研究區(qū)域劃分網(wǎng)格，其中對(duì)局部區(qū)域進(jìn)行加密處理，最小網(wǎng)格0.2 m2，網(wǎng)格總計(jì)37 481 個(gè)。根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙對(duì)南四湖特大橋橋墩進(jìn)行概化，橋墩直徑為1.3～1.8 m，橋墩尺寸與數(shù)模網(wǎng)格尺寸相比而言較小，橋墩阻水較小。

1.3 邊界條件

1）計(jì)算條件。采用沂沭泗河洪水東調(diào)南下工程湖內(nèi)工程規(guī)劃中設(shè)計(jì)洪水計(jì)算數(shù)據(jù)。采用1957年典型洪水計(jì)算，利用“三湖兩河”模型及“樹(shù)狀河網(wǎng)”模型，根據(jù)對(duì)防洪最不利原則確定二維模型上、下游邊界條件。上游邊界：23K+000 斷面處湖區(qū)流量為3 600 m3/s，白馬河流量為400 m3/s；下游邊界：29K+000 斷面處水位36.8 m。根據(jù)邊界條件，分別對(duì)現(xiàn)狀工況和橋墩工況進(jìn)行模擬。

2）糙率選定。糙率與地面的粗糙程度及地表阻水特征有關(guān)。根據(jù)湖內(nèi)的深槽、湖草、地物、蘆葦?shù)确诸悾謩e選取不同的糙率值。

2 模型水力參數(shù)計(jì)算

2.1 工程建設(shè)前后區(qū)域整體流場(chǎng)計(jì)算

通過(guò)二維水動(dòng)力學(xué)模型，分別計(jì)算工程建設(shè)前后兩種工況下，工程區(qū)域內(nèi)的整體流場(chǎng)分布，提取指定位置的流量、流速及水位參數(shù)。工程建成后區(qū)域內(nèi)水深分布、流速分布、建筑（沉淀池）阻水分別見(jiàn)圖1～3。

圖1 水深分布圖

圖2 流速分布圖

圖3 建筑阻水示意圖

由計(jì)算成果可以看出：1）1957 年洪水工況南四湖行洪時(shí)，由于水位提高，湖區(qū)行洪水面范圍較大，且受制于下游工程流量控制，湖內(nèi)流速較為緩慢；航道、淺槽等過(guò)水通道內(nèi)流速相對(duì)較大。2）工程阻水面積相對(duì)湖區(qū)面積來(lái)說(shuō)較小，工程建設(shè)前后對(duì)湖內(nèi)整體流速、水位變化影響較小。

2.2 工程建設(shè)前后上游斷面水力參數(shù)變化分析

1957 年洪水情況下，針對(duì)工程建設(shè)前后兩種工況，分析南四湖特大橋上游5 m、25 m、50 m 斷面處的水位、流速、流量參數(shù)變化情況。

1）流量及流速變化分析。以南四湖特大橋上游5 m 處斷面為例，分別計(jì)算工程建成前后斷面上各部分的流量及流速分布，見(jiàn)表1。由表1 可知：工程建設(shè)后對(duì)流量及流速影響較小。

2）橋墩壅水分析。1957 年洪水情況下，擬建工程在上游5～50 m 范圍內(nèi)引起的壅水高度在0.001～0.003 m，即工程引起水位壅高的范圍局限在工程附近50 m 范圍內(nèi)，工程建設(shè)對(duì)南四湖上級(jí)湖行洪影響較小。南四湖特大橋上游5 m 處斷面壅水水位見(jiàn)表2。

2.3 斷面阻水分析

根據(jù)二維水動(dòng)力學(xué)模擬成果，在南四湖特大橋上游5 m 處截取斷面，分析橋墩對(duì)斷面過(guò)流阻水作用。1）建橋前，該斷面處水位為36.85 m 時(shí)，過(guò)水面積為384 100 m2。2）建橋后，該斷面處水位為36.85 m 時(shí)，墩柱阻水面積為1 524 m2，過(guò)水面積為382 576 m2，工程對(duì)該斷面的阻水比例為0.39%。

表1 不同斷面流量及流速（橋址上游5 m 處斷面）

表2 壅水水位表（橋址上游5 m 處斷面） m

3 結(jié) 語(yǔ)

1）1957 年洪水情況下，擬建工程在上游5～50 m處引起的壅水高度在0.001～0.003 m 以內(nèi)，即工程引起水位變化的范圍局限在工程附近50 m 范圍內(nèi)。工程建設(shè)對(duì)南四湖上級(jí)湖行洪影響較小。

2）1957 年洪水工況南四湖行洪時(shí)，由于水位抬高，湖區(qū)行洪水面范圍較大，且受制于下游工程流量控制，湖內(nèi)流速較為緩慢；航道、淺槽等過(guò)水通道內(nèi)流速相對(duì)較大。工程阻水面積相對(duì)湖區(qū)過(guò)水?dāng)嗝婷娣e比例（0.39%）較小，工程建設(shè)前后對(duì)湖內(nèi)整體流速、水位變化影響較小。