基于水動力模型的科峰大橋防洪影響分析

郭 婭，張瑋清

(廣東源豐水務有限公司,廣東 河源 517000 )

“十三五”時期，是河源市全面脫貧奔康、建設幸福河源的攻堅階段。公路建設是基礎設施建設的重要組成部分，也是不斷夯實河源振興發展基礎的重要組成部分。現有縣道X162線已無法滿足日益增長的交通需求，嚴重阻礙當地社會經濟發展，省道S341線連平隆街至新河村段改建工程已迫在眉睫。作為省道S341線改建工程的重要涉水建設項目，科峰大橋的建設將帶動和促進一河兩岸(連平縣和新豐縣)的經濟發展，也使得兩岸村民的交流往來更為便捷。

橋梁的建設改變了水流的形態，導致河床沖淤平衡遭到破壞，甚至影響河勢，而天然河流的屬性千差萬別，因此不同涉水項目對河勢的影響復雜多變；項目建成后，還可能對防汛搶險、日常水利管理等產生影響，因此，對建設項目進行防洪影響評價非常必要[1-2]。橋梁防洪影響計算主要包括壅水分析、沖刷分析等，經驗公式、數值模擬是主要的評價手段[2-3]。經驗公式的計算結果受參數選取的影響較大，而數值模擬通過模型的率定與驗證，可使計算結果與實際情況更加接近，應用較廣[4-5]。本文基于Mike11、Mike21分別建立一維、二維水動力模型，根據不同頻率的設計洪水設立不同工況，評價科峰大橋的防洪影響，為項目建設提供依據。

1 工程概況

擬建的科峰大橋位于廣東省河源市連平縣田源鎮境內，是新編省道S341線連平隆街至新河村段改建工程的重要內容。大橋橫跨新豐江干流，是連平縣至新豐縣的重要公路橋梁。新豐江發源于新豐縣玉田點兵，于河源市區旁匯入東江，主要支流有船塘河、連平河、大席河等，流域水系及工程位置見圖1。

圖1 橋址及水系示意

科峰大橋中心樁號為K11+893，跨徑7 m×30 m，共有6組橋墩、2組橋臺，橋墩位置及埋深見圖2。橋梁全寬為12 m，凈寬9 m，上部構造采用預應力小箱梁，下部構造采用U型臺、柱式墩、樁基礎，橋墩方向與水流方向平行；本橋平面分別位于緩和曲線(起始樁號:K11+785，終止樁號:K11+816)、直線(起始樁號:K11+816，終止號:K11+991)、緩和曲線(起始樁號:K11+991，終止樁號:K12+001)上，位于緩和曲線上的橋梁按彎橋設計。

科峰大橋上游約2 km處建有和鋒橋電站，科峰大橋下游約70 km處建有新灌溉豐江水庫。新豐江水庫是一座以防洪、供水、灌溉為主，兼顧發電、航運等綜合利用的樞紐工程，在進行工程影響評價時，應充分考慮新豐江水庫防洪任務與調度原則。科峰大橋橋址河段附近無已建堤防，規劃防洪標準為20年一遇。橋梁所處位置相對比較特殊，第一是位于彎道起始河段；第二是該河段上游有較廣的河灘地，下游是典型的峽谷地貌；第三是在橋址處的河道右岸地形特殊，河道右岸存在山丘，在遭遇低標準洪水時不能過流，但遭遇高標準洪水時能過流。

圖2 橋墩位置及埋深示意

2 研究方法

DHI software是從事河道、海洋水流、泥沙轉輸以及水質計算的軟件。軟件應用范圍包括一、二、三維水流、供排水、洪水、暴雨徑流、海洋泥沙等方面的計算，已得到了廣泛的應用[8-12]。本文基于Mike11的水動力模塊構建河段模型，以分析河段洪水影響；基于Mike21的水動力模塊構建工程局部模型，以分析工程局部河段的流場變化情況。

Mike11水動力模型的基本原理是基于垂向積分的物質和動量守恒方程，即一維非恒定流圣維南方程組來模擬河流或河口的水流狀態，采用Abbott-Ionescu六點隱式差分格式求解；Mike21水動力模型的基本原理是淺水方程，采用ADI法離散求解。模型的詳細原理可參考相關文獻[6-7]，本文不再贅述。

2.1 一維模型構建

一維模型模擬河道起點為工程下游約600 m，終點為工程上游約600 m，全長1 200 m。為了較好反映河道走勢及斷面變化，本次模擬布置XFJ0+000、XFJ0+350、XFJ0+500、XFJ0+550、XFJ0+600(橋址)、XFJ0+700、XFJ0+800、XFJ1+000、XFJ1+100、XFJ1+200共10個斷面，各斷面里程分別對應0 m、350 m、500 m、550 m、600 m、700 m、800 m、1 000 m、1 100 m、1 200 m，受實測地形資料限制，其中XFJ0+550、XFJ0+700斷面通過上下游內插得到，XFJ1+100、XFJ1+200斷面通過該河段平均比降延伸得到。模型計算范圍及斷面設置情況(見圖3)。

圖3 一維模型模擬范圍及計算斷面布置示意

模型中，將橋墩作為地形邊界進行處理。模擬河段的河道斷面較為整齊，主河槽面以沙及部分孤石組成，河道彎曲，灘地為土沙質，由于缺乏實測資料，本文結合《水力學》中的天然河道糙率表及流域內岳城水文站實測水位流量反推得到的河道糙率，綜合確定模型的糙率取值為0.033。

2.2 二維模型構建

二維模型的計算范圍為工程上、下游共約1 km，模型采用貼體自適應網格對計算水域進行離散，橋位處網格較密，最小面積為2 m2，最大尺寸為40 m2，共剖分網格30 012個，模型的模擬范圍及網格剖分見圖4。對于橋墩概化處理，由于計算工況下，橋墩承臺位于水中，從偏安全角度考慮，將橋墩以承臺的尺寸在平面地形進行封堵布置。

圖4 二維模型模擬范圍及網格剖分示意

網格剖分后，將外業實測的高程數據導入Mike 21中進行網格插值，得到模擬范圍內的高程。根據研究區的實際情況，糙率n取值為0.033。

2.3 模型邊界條件

一維模型的上游邊界為流量邊界，下游邊界為水位邊界。二維模型的流量、水位邊界從一維模型的成果中提取。

上游流量根據科峰大橋斷面設計洪水結果確定，以新豐江流域內的岳城水文站作為參證站，用水文比擬法確定科峰大橋斷面的設計洪峰流量。岳城站有1960—2018年共59 a的實測年最大洪峰流量系列；歷史洪水中有調查考證資料的年份是1947年，重現期為66 a，洪峰流量為1 620 m3/s。將系列資料經過排頻分析計算，并經P-Ⅲ型曲線配線后，確定岳城站設計洪水。根據1:10 000航測地形圖量算以及相關資料統計，科峰大橋橋址以上流域集雨面積為1 627 km2，岳城站集雨面積為531 km2，根據式(1)推求科峰大橋斷面的設計洪峰。由于科峰大橋橋址以上集雨面積與岳城站集雨面積相差較大，因此進一步采用新豐江上游順天水文站(集雨面積1 357 km2)復核所求設計洪水。最終計算橋址處100年一遇設計洪峰流量為3 501.95 m3/s，50年一遇洪峰流量為3 043.65 m3/s，20年一遇設計洪峰流量為2 438.49 m3/s。

(1)

式中:

Q設——橋址河段設計洪峰流量；

Q參——參證資料(本次計算選取參證站為岳城水文站)的洪峰流量；

F設——橋址控制斷面以上流域集雨面積，1 627 km2；

F參——參證站的控制集雨面積，531 km2；

n——面積比指數，依據《工程水文及水利計算》(成都科技大學、華東水利學院、武漢水利電力學院合編)，小流域n一般為2/3，出于防洪安全考慮本次取n=0.67。

下游水位由曼寧公式計算得到，見式(2)。由圖3可知，模型下游河段斷面為樁號XFJ0+000，該斷面河底高程為99～103 m，河床糙率為0.034，河道比降為0.013 6。因該河段屬于新豐江水庫回水影響末端，需考慮新豐江水庫的防洪調度原則，結合在相應洪水頻率下新豐江水庫的洪水，最終確定斷面水位。由此計算得到20年、50年、100年一遇設計洪水對應的下游斷面河道水位分別為118.044 m、118.944 m、119.544 m。

(2)

式中:

k——轉換常數，國際單位制中值為1；

n——曼寧系數；

Rh——水力半徑；

S——河道坡度。

3 結果分析

根據科峰大橋是否建成分為工程前、工程后，結合不同頻率的洪峰流量及下游水位設置6種工況，6種工況邊界及大橋建立情況見表1，使用一維、二維模型對各個工況分別進行模擬計算。

表1 不同工況基本情況

3.1 壅水分析

橋梁的建設改變了局部流場的水流流態，行洪斷面的有效過水面積減少，橋前形成壅水。壅水高度及壅水長度不但影響橋梁的設計，還涉及到兩岸的防洪安全。本文依據一維水流數學模型的水位成果，分別分析20年一遇(工況1和工況2)、50年一遇(工況3和工況4)、100年一遇(工況5和工況6)的水位(見表2)，工程前后河段平均水力坡度對比見表3。

由表2可知，在20年一遇洪水條件下，科峰大橋產生的壅水高度為0.002 m，壅水長度小于400 m；在50年一遇洪水條件下，工程河段的最大壅水高度為0.004 m，壅水長度位于400～500 m之間；在100年一遇洪水條件下，工程河段的最大壅水高度為 0.009 m，壅水長度位于500～600 m之間；科峰大橋的壅水作用較小。

表2 遭遇不同頻率洪水建橋前后沿程水位 m

表3 工程前后河段平均水力坡度

由表3可知，在遭遇20年一遇洪水時，工程前后河段平均水力坡度分別為0.258‰、0.259‰；在遭遇50年一遇洪水時，工程前后河段平均水力坡度分別為0.336‰、0.337‰；遭遇100年一遇洪水時，工程前后河段平均水力坡度分別為0.392‰、0.393‰。綜合分析，該河段的水力坡度較小，工程前后河段平均水力坡度變化較小，驗證了該河段仍受新豐江水庫回水影響；工程區域屬于山前沖擊漫流河段與下游收縮河段的過渡區域，據分析在遭遇全流域100年一遇洪水時，水流受地形影響較大，因此科峰大橋在遭遇100年一遇洪水時產生的壅水作用最為明顯，水力坡度較大。

3.2 流場分析

流場直接影響河流的平面形勢及發展趨勢，本文根據二維模型的結果分析流場變化。由于二維計算結果數據較多，為了便于分析，在大橋工程上、下游以及橋下橋墩之間布置了采樣點1#～5#、7#～12#、B1#～B8#，其中1#～5#屬于橋址上游采樣點，7#～12#屬于橋址下游采樣點；B2#～B4#屬于與橋墩間的采樣點，B1#、B5#屬于橋墩與岸坡之間的采樣點，B6#、B7#、B8#、B9#屬于橋址上下游岸坡附近采樣點，各采樣點具體分布情況見圖 5。各頻率下工程前后流場圖見圖6～圖11，各采樣點在各頻率的洪水條件下工程前后的流速和流向的變化(工程建設后與建設前的差值)見圖12～圖14。

由圖表可見，橋址上、下游河段的采樣點(1#～5#、7#～12#)工程前、后數據變化特征如下：橋址上游河段采樣點(1#～5#)工程后的流速整體小于工程前的流速，橋址下游河段采樣點(7#～12#)工程后的流速整體大于工程前的流速。

圖6 20年一遇工程前流場示意

圖7 20年一遇工程后流場示意

圖8 50年一遇工程前流場示意

圖9 50年一遇工程后流場示意

圖10 100年一遇工程前流場示意

圖11 100年一遇工程后流場示意

圖12 工程前后流速、流向變化示意(P=5%)

圖13 工程前后流速、流向變化示意(P=2%)

圖14 工程前后流速、流向變化對比示意(P=1%)

初步分析，橋梁建設后對上游河段產生一定的壅水影響，使得上游河段洪水流速減小；橋墩的建設縮窄了工程斷面的行洪面積，使得工程斷面和下游河段的流速增大，其變化趨勢符合一般規律。橋址上游、下游河段的水流流速和流向受工程建設產生了一定的變化，流速變化幅度為-0.299～0.264 m/s，流向變化幅度為-0.038～0.015 rad，工程前后總體變化幅度較小，對整體河勢影響整體較小。

根據橋下采樣點(B1#～B9#)的數據成果，工程斷面(橋址斷面)的局部流場變化趨勢同樣存在差異。位于主要行洪區的B1#、B2#、B3#、B4#、B6#和B7#采樣點流速和流向變化趨勢相同，工程后流速總體呈增大趨勢，流向呈減小趨勢(即水流總體呈向左岸偏移)，初步分析，流速變化符合上述結論，工程左岸為河流彎曲的凹岸，屬于受主流沖刷河岸，其變化規律符合河道特性，位于主要行洪區的采樣點的流速工程前后變化幅度為-0.090～0.426 m/s，流向變化幅度為-0.286～0.041 rad，總體變化幅度較小；工程斷面處位于河道右岸的B5#、B8#和B9#采樣點流速和流向變化趨勢與主流變化趨勢不同，流速變化幅度為-0.238～0.247 m/s，流向變化幅度為-2.239～0.131 rad，流速變化整體依舊偏小，但流向變化幅度較大，根據流場圖初步分析，河流右岸屬凸岸，在20年一遇洪水條件下，凸岸完全阻擋了水流，使得水流偏向主河槽，但在50年一遇和100年一遇洪水條件下，該河岸采樣點的右側形成了新的局部水流，使得該采樣點所處區域形成了江心洲地形，局部流場發生了變化，導致了該部分采樣點變化與主流變化規律不一致。

4 結語

1) 根據MIKE一維計算成果，科峰大橋遭遇百年一遇洪水時的最大壅水高度約為0.009 m，最大壅水影響范圍約為600 m。科峰大橋的建設會存在一定的壅水影響，但因受下游新豐江水庫回水影響，科峰大橋的壅水影響較小，對河道行洪影響較小。

2) 綜上所述，工程河段的流態總體變化相對穩定、變化幅度較小且相對規律，工程建設對河勢整體影響較小，對河道行洪的影響較小；橋墩與岸坡處的局部流場流速變化不大，其主要影響體現在流向的改變，工程后河段主要行洪區的水流流向偏向河道左岸，會一定程度的增大河流左岸岸坡沖刷，右岸局部流場則受水位影響較大，因此科峰大橋設計增加了岸坡防護和橋墩防沖等相應內容，減小了因橋梁建設產生的岸坡、河道沖刷影響。