水動力模型在規劃河道護岸工程中的應用研究
——以南昌高鐵東站規劃河網水系為例

劉穎婧

（上海市城市建設設計研究總院（集團）有限公司，上海 200125）

城市化的快速發展使得城市的排澇能力受到制約與限制[1]，全球氣候變暖的趨勢也促使暴雨洪水事件頻繁發生[2]，這些不利因素的加劇都對河道護岸工程的設計提出了更高的要求。護岸工程的規劃設計中有若干與河道防洪排澇安全密切相關的關鍵性要素，如規劃河道斷面尺寸、規劃堤頂高程等[3]。這些要素值的合理與否對于河道在工程建成后運行使用期間是否能夠滿足區域的防洪排澇要求至關重要。

河道水力計算與水文計算分析是護岸工程水工結構設計的關鍵環節[4-5]，對于護岸工程規劃河道斷面尺寸及堤頂高程的確定有著重要影響，直接關系到生態護岸工程的防洪、生態與經濟效益[6]。傳統計算方法已經較難滿足工程設計的實際要求。數值模擬技術則具有成本低，效率高，可綜合考慮水體、水工建筑物、考慮多種設計工況及設計條件的優勢，能夠將工程范圍內涉水的各項工程同時考慮進來，幫助設計人員系統全面地了解工程區域河網水系的各項特征要素，為工程項目設計的高效性與準確性提供更大的支持。因此，建立工程區域的河網水系水動力數學模型對工程建設后區域河湖的流場及水位情況進行模擬、預演和研究是非常有必要的，對于合理確定區域內規劃河道的設計方案具有重要作用和意義。

1 工程概況

南昌高鐵東站作為未來南昌的城市核心區域，區位重要，人員密集，暴雨條件下排澇壓力巨大，其現狀河道規模亟待提升。南昌東站片區水系規劃總體布局框架為“一湖、三河、多渠”。其中，“一湖”指的是水鏡湖；“三河”指的是東站河、天祥河、謝埠河；“多渠”指的是總干渠、六干渠、四干渠、連通渠、昌東三路渠。根據規劃，在上述河網水系中，總干渠、六干渠、四干渠、連通渠為灌溉渠，屬于高水系統，其余規劃河道則屬于低水系統。

本工程中天祥河、謝埠河是高鐵東站新區的排澇主通道，目前，高鐵東站新區主要市政路網正在加緊建設中，區內沿線地塊現狀沒有明渠或湖泊等較大容積的系統的調蓄水系，本工程水系作為區域的主要排水通道，若不同步建設，雨季下暴雨時，雨水勢必在地面漫流，積水、內澇嚴重。隨著高鐵新區開發廣度和深度的不斷加大，解決這一問題日益成為一個迫切的要求。因此，須以河道水力計算為基礎[1]，對工程區域進行規劃河網水系河道整治護岸工程的合理設計，筑牢護岸以提升區域的防洪排澇能力。

本文以南昌高鐵東站規劃河網水系為例，研究水動力模型Delft 3D Flexible Mesh 在規劃河網水系河道整治護岸工程中的應用。

圖1 南昌高鐵東站規劃河網水系示意圖

2 模型建立

2.1.1 護岸工程方案設計

生態護岸就是將植物等環境友好的自然材料引入其中，在維護岸坡足夠強度的同時，能保持良好生態環境的護岸型式[7-8]，本護岸工程河道斷面型式為復合梯形斷面，采用生態性較好的“仿木樁擋墻或漿砌石擋墻+植草緩坡”的結構形式，該形式抗沖刷性好且生態性景觀性較好，擋墻后可設置觀景步道，以達到親水樂水的效果。

擋墻前設置水生植物種植平臺，配置陸域及水生植物種植后營造水岸聯動，融合共生的生態景觀濕地效果，斷面形式如下圖所示。

圖2 護岸工程斷面設計方案示意圖

2.1.2 模型邊界條件及基本參數設置

本模型為二維數學模型，考慮垂向平均，采用大地坐標，85 高程，投影系為北京54 坐標系。

模型投影中央經度為117°E，考慮科氏力的作用，模型緯度為28.15°N。

入流邊界為50年一遇設計暴雨工況下的流量控制，出流邊界為50 年一遇設計暴雨工況下的水位控制。

河床糙率（曼寧系數表示）根據過往相關工程項目經驗設為0.023。

計算時間步長為30s，結果輸出時間步長為1h。

3 模型計算結果分析研究

工程區域分為高水系統與低水系統，低水系統在50 年一遇暴雨工況下是允許淹沒其兩側綠廊承擔泄洪任務的，因此對于低水系統而言，堤頂高程可以低于50 年一遇的設計洪水位；而高水系統則是由區域內多條灌溉渠所組成，河道兩岸后方是廣闊的農田，若被洪水淹沒，會產生較大的損失，因而對于高水系統而言，河道整治工程設計的遠期目標是希望河道護岸的堤頂高程能夠保證灌溉渠兩側農田在50 年一遇設計洪水位的情況下不被淹沒，即高水系統河道護岸工程的堤頂高程要高于50 年一遇的設計洪水位。

對高水系統內各規劃河道在50 年一遇暴雨工況下的水位數值模擬結果進行整理分析，如表1 所示。

表1 高水系統各規劃河道最高水位計算成果匯總表

由上表可知，在50 年一遇設計暴雨工況下，工程區域內各高水系統規劃河道的水位模擬結果均較上位規劃最高水位有15～40cm 左右的提高，說明在50 年一遇暴雨情況下，高水系統各規劃河道內的水位雍高現象十分嚴重。將模型計算水位結果與目前設計護岸工程方案中高水系統各規劃河道的設計堤頂高程進行對比分析，如表2 所示。

表2 50 年一遇設計暴雨工況下高水系統各規劃河道最高水位與設計堤頂高程對比表

由上表可知，在50 年一遇設計暴雨的工況下總干渠河道的水位值要高于水工結構設計方案中總干渠的設計堤頂高程，對河道的防洪安全存在不利影響。為解決上述問題，結合數模結果建議對總干渠的堤頂高程在現狀設計方案的基礎上再做一定的加高處理，使得上述河道在遭遇50 年一遇設計暴雨時的河道水體不會溢出河道外，以保證防洪安全。

4 結論

本文以南昌高鐵東站規劃河網水系為例，采用Delft 3D Flexible Mesh 水動力數學模型，將工程地塊的河網水系規劃河道地形依據上位規劃給出的規劃河道控制要素及規劃河道設計單位給出的規劃河道護岸斷面方案及高程方案在模型中進行細致構造，通過建立水動力模型進行規劃河網水系的水力計算，并利用模型分析工程實施后的效果，發現在50 年一遇設計暴雨的工況下總干渠河道的水位值要高于水工結構設計方案中總干渠的設計堤頂高程，對河道的防洪安全將存在不利影響，計算結果為進一步優化河道護岸工程的設計方案提供了依據，對于合理確定區域內規劃河道的設計方案具有重要作用和意義。