淺析Mike21二維模型在橋梁防洪評價中的應用

張沖偉

(四川百源工程勘察設計有限公司，四川 成都 610000)

1 項目背景

岷江為長江上游左岸一級支流，是長江水量最大的支流，是四川中部一條重要河流。以發源地至都江堰魚嘴段為上游，都江堰至樂山市大渡河匯口處為中游，樂山至宜賓匯入長江處止為下游。岷江有東西二源：東源出自高程3727m的弓杠嶺，西源出自高程4610m的朗架嶺，兩源匯合于虹橋關上游川主寺后，自北向南流經茂縣、汶川、都江堰市；穿過成都平原的新津、彭山、眉山；再經青神、樂山、犍為，于宜賓市注入長江。岷江干流全長711km，流域面積13.59萬km2。

樂山市某岷江特大橋左岸位于四川省樂山市市中區牟子鎮菜利村，右岸位于四川省樂山市市中區通江鎮檀木嘴村，橋梁跨岷江而設。項目的建設溝通岷江兩岸，銜接樂峨大道與眉樂快速干道，共同構成樂山中心城區東北部城市過境公路，對完善普通省道網、構建四川綜合交通次樞紐、打造樂山市半小時經濟圈，實現中心城區到周邊縣(市、區)的快速通達、有效分離城鎮區間與過境交通具有十分重要的意義。由于橋梁的建設影響工程區岷江局部河段水位、流速、流態等，對橋區岷江河道行洪造成一定影響，根據《中華人民共和國水法》、《中華人民共和國防洪法》等有關規定，該橋梁須進行防洪影響評價專題論證，為工程建設及項目審批提供依據。

目前經驗公式、一維數學模型和二維數學模型是用于研究橋梁對河道防洪影響采用較多的方法，其中Mike21是較為成熟的二維數學模型之一。文章采用該模型模擬橋梁建設后橋區河道水位變化情況，評價橋梁建設對工程區河道防洪的影響。

2 Mike21模型

2.1 模型簡介

Mike21模型由丹麥水力學研究所開發，是一個專業的工程軟件包，可用于模擬河流、湖泊、河口、海灣、海岸及海洋的水流、波浪、泥沙及環境等。該軟件在國內一些大型工程中得到應用，如：南水北調工程、長江口綜合治理工程、重慶市城市排污評價、太湖富營養模型、臺灣桃園工業港興建工程等，均取得了良好的效果[1]。

2.2 模型構建基礎數據

1)地形數據：

地形數據主要是指計算范圍內地形地貌，這些數據可以是 DEM，電子海圖，CAD圖等。

2)水文數據：

水文數據包括降雨數據、上下游邊界數據(流量，水位)。

3)糙率：

糙率是一個結果影響比較大的參數，如果沒有實測糙率，則需要根據歷史水文數據，對結果進行率定，進而確定糙率。

4)其它：

主要包括波浪、風以及潮位等數據資料。

3 計算實例

3.1 工程結構

樂山市某岷江特大橋工程全長1301m，橋梁結構為：8m+6×25m+13×40m+(62+110+62)m+(101+180+101)m+7m。主橋為(101+180+101)m、(62+110+62)m預應力混凝土連續梁橋，引橋為25、40m簡支梁；主跨下部結構采用鋼筋混凝土空心薄壁墩、承臺樁基礎，引橋下部結構采用樁柱接蓋梁形式。橋臺均采用肋板式，承臺樁基礎。

3.2 水文條件

岷江干流中游段有國家設立的基本控制站點，一般觀測資料已達30-40a。此外，沿河尚有部分報汛的水位，雨量站點。雖然先后經過調整撤銷部分站點，但仍具有一些實測資料，可以利用。岷江干流主要河道的歷史洪水調查資料，已經全省統一匯編刊印。各站觀測是項目及起迄時間詳見表1。

該工程位于岷江干流上，橋址以上岷江集雨面積33785km2，與彭山水文站集雨面積(30661km2)最接近，彭山水文站資料齊全，可作為該工程水文計算依據站。

彭山水文站地處彭山縣鳳鳴鎮岷江路，地理坐標為E103°53′，N30°12′。1938年9月由前四川省水利廳設立，1943年改為水位站，1951年3月恢復為水文站，1954年基本水尺下遷180m，改為彭山(二)站，因受堿渣堆積影響，1979年再下遷454m，2009年因城市改造又上遷了1000多m，改為彭山(三)站。測驗河段順直，控制條件較好，河床由砂卵石組成，有輕度沖淤變化，為典型的復式河槽，形成中水以下兩個河槽出水，中、高水灘地淹沒，左、右兩槽合流。彭山水文站為國家重要水文站，為中央報汛站和岷江中下游地區的防洪依據站，承擔著繁重的測報任務。

彭山水文站有1938-1942，1952-今的實測年最大流量資料。1943-1951年缺測流量，用實測年最高水位在歷年綜合水位流量關系曲線上插補年最大流量。經插補后，該站已有1938-2018年連續洪水系列。根據彭山水文站實測年最大流量系列，加入歷史洪水，組成不連續洪水系列。用不連續系列公式計算洪水流量均值，采用P—Ⅲ型曲線，以經驗適線法，求得彭山站設計洪水，成果見表2。

表2 彭山水文站最大洪峰流量計算成果表

該工程橋址處集雨面積與彭山站控制面積相差10.2%，<15%，故可將彭山水文站站的設計洪水成果采用面積比指數(按面積比的2/3次方)移用至本工程橋梁處，經計算，該工程橋址岷江設計洪水見表3。

表3 本工程橋址岷江設計洪水成果表

3.3 防洪評價計算

3.3.1 模型計算范圍及地形

數學模型計算范圍應能充分涵蓋工程可能影響的范圍及模型邊界穩定所需的范圍。結合工程河道地形及工程研究內容等因素，計算范圍選取為：本工程上游3.8km至下游2.9km共6.7km河段。計算網格主要采用非結構網格，整個模擬河段共劃分網格單元18250個，工程河段二維數模網格見圖1，工程河段地形高程見圖2。

圖1 工程河段二維數模網格

圖2 工程河段地形高程

3.3.2 有關系數的選取

1)糙率系數：

河道糙率的選用，參考計算斷面上下游水文站實測資料分析，同時對照有關天然河道河床糙率表，以及近年來各有關單位的實驗研究的綜合成果，并結合計算河段的河床組成，岸坡光潔度，斷面形狀，河段水流流態流勢等綜合因素，并通過模型的率定和驗證來確定，本次河道糙率選用0.035-0.040。

2)動邊界處理

為保證模型計算的連續性，采用動邊界技術模擬不同流量下的網格干濕變化。本次給定hwet為10cm，hdry為0.5cm。

3)計算工況

模型采用橋梁設計和河道防洪兩個標準進行計算，評價起始斷面(橋位下游2.9km)300a一遇標準下流量為17900 m3/s，相應水位為368.89m；20a一遇標準下流量為12400 m3/s，相應水位為366.80m。

3.3.3 模擬結果分析

經過模擬，本工程橋位處河道水位變化情況見圖3-圖4。

圖3 工程建設后300a一遇洪水水位變化圖

圖4 工程建設后20a一遇洪水水位變化圖

從二維數學模型計算結果可知，建橋后橋位上游產生壅水，橋位下游產生跌水。300a一遇洪水標準時，橋前最大壅水高度為8cm，最大跌水高度為11 cm；20a一遇洪水標準時，橋前最大壅水高度為5cm，最大跌水高度為8cm。Mike21計算得到的橋前最大壅水值與采用經驗公式[2]計算得到的橋前最大壅水值(300a一遇壅水6.8 cm，20a一遇壅水4.1cm)接近，說明了Mike21在橋墩壅水計算中的適應性較好，計算結果較為合理。

4 結 語

以樂山市某岷江特大橋為例，采用Mike21二維模型對建橋前后水位變化情況進行模擬分析，其結果與經驗公式計算結果基本一致，說明該模型能很好地滿足防洪評價要求。該橋梁建設造成的水位壅高值較小，對橋區岷江河道行洪影響較小。

Mike21二維模型具有研究費用低、運行速度快、周期短、可考慮較多因素的相互影響、對結果進行可視化展示等優點。隨著水動力學理論及計算機技術的不斷完善，水動力模型技術將朝著高效、高精度、可視化等方向迅猛發展。