二維水動力模型在防洪影響評價中的應用研究

夏麗君，林子藝，夏世飛

(1.南京市高淳區農業資源開發技術服務站，江蘇 南京 210000；2.淮安市水利勘測設計研究院有限公司，江蘇 淮安 223001；3.南京市高淳區水務局磚墻水務站，江蘇 南京 210000)

0 引言

根據《淮委洪水影響評價類建設項目許可技術審查規定(試行)》，跨河橋梁應辦理洪水影響評價類審批，并開展技術審查。防洪評價計算包括水文分析計算、壅水計算、沖刷淤積計算與河勢影響分析、堤防及岸坡穩定分析計算等內容。

目前，防洪評價計算常用的方法有經驗公式法、數值模型法和水工模型法[1-2]。本文主要研究二維水動力模型在壅水計算和河勢影響分析中的應用效果。

1 概況

連云港至宿遷高速公路是《江蘇省高速公路網規劃(2017—2035年)》中“十五射六縱十橫”高速公路網絡的“橫三”，編號S16，全長約137km，于宿遷市沭陽縣境內跨越新沂河。

橋梁全長2187.28m，橋寬27m，共17聯，橋跨布置為5×30m+3×40m+20m+(45+80(跨新沂河左堤)+80+80+45)m+5×(4×40)m+(30+2×40)m+(45+80+80+80(跨新沂河右堤)+45)m+20m+3×40m+2×(3×30)m。橋梁縱軸線與新沂河交叉角度為86.0°，橋墩軸線與河道水流方向呈4.0°交角，左右兩幅采用錯位布置。

上部結構：跨新沂河左右大堤及南、北偏泓河槽采用懸臂澆筑預應力混凝土連續箱梁；跨灘地采用裝配式PC箱形連續梁。

下部結構：跨新沂河南、北偏泓河槽時主橋主墩采用實體墩、承臺，過渡墩采用柱式墩、承臺，基礎均為鉆孔灌注樁。其中，實體墩寬3.0m，承臺寬8.1m，高3.0m；過渡墩直徑1.8m，承臺寬6.8m，高2.5m?？鐬┑貢r采用柱式墩、肋板式臺，基礎為鉆孔灌注樁，柱式墩直徑分別為1.6、1.8m。

2 二維水動力模型構建

2.1 橋址處河道基本情況

新沂河西起駱馬湖嶂山閘，向東流經新沂、宿豫、沭陽、灌云、灌南等5個縣(市、區)，至堆溝、燕尾二港與灌河匯合后并港出海，全長146.3km。新沂河是沂沭泗洪水主要入海通道之一，也可擇機分泄淮河洪水入海，在淮、沂洪水不遭遇的情況下，通過淮沭河最大設計分泄淮河洪水3000m3/s。

橋址處河道堤距約1378.9m，灘地寬943.7m。其中北偏泓底高程1.55m(1985國家高程基準，下同)，底寬73.5m，保麥子堰頂高程6.30m，頂寬3.4m；南偏泓底高程1.69m，底寬34.6m，保麥子堰頂高程7.29m，頂寬5.1m；灘地平均高程4.50m。

圖1 橋址處實測斷面圖(單位：高程為m，距離為dm)

2.2 二維水動力模型構建

2.2.1計算方程

連續方程：

(1)

動量方程：

(2)

(3)

式中，t—時間；x，y—笛卡爾坐標系坐標；u，v分別為水深平均流速在x，y方向分量；H—總水深，H=h+ζ，h—靜止水深，ζ—水位；f—科氏力系數；ve—有效黏性系數；τbx，τby分別為切應力在x，y方向分量；τsx，τsy分別為剪應力在x，y方向分量；g—重力加速度；ρ—液體密度。

2.2.2網格布置

本次計算河段取擬建橋梁上下游各2.5km，概化時采用三角形網格，共生成21197個節點、41912個網格[3-5]，并對擬建橋梁附近網格進行加密。

2.2.3計算工況

根據SL/T 808—2021《河道管理范圍內建設項目防洪評價報告編制導則》規定，建設項目防洪評價分析計算工況應包括建設項目所在河道現狀及規劃的防洪標準對應工況、建設項目設計防洪標準對應工況。

本案例中新沂河現狀防洪標準50年一遇，規劃防洪標準100年一遇；新沂河特大橋設計洪水標準300年一遇。各計算工況下河道設計流量、設計水位及橋墩阻水情況見表1。

表1 不同計算工況下壅水計算參數表

2.2.4參數取值

根據《沂沭泗河洪水東調南下提標工程規劃》中糙率率定成果，新沂河橋址處南、北偏泓河道糙率為0.02，灘地糙率為0.031。

3 結果分析

3.1 壅水計算成果

3.1.1二維水動力模型計算成果

根據二維水動力模型模擬成果，在50年一遇、100年一遇、300年一遇設計洪水條件下，橋梁建設前后的水位變化僅限于橋址附近，主要表現為上游壅水[6-7]。在50年一遇、100年一遇、300年設計洪水條件下，橋前壅水高度分別為0.01、0.02、0.02m，壅水長度分別為340、430、370m。

模型中共布置了12個水位測點，分別為Z1～Z12，其中Z1～Z6位于新沂河北偏泓，Z7～Z12位于新沂河南偏泓，橋梁建設前后的水位變化情況，見表2。

表2 數值模擬法壅水計算成果表 單位：m

3.1.2經驗公式法壅水計算成果

橋前壅水計算常用的經驗公式有D’Aubuisson公式、Henderson公式、鐵科院陸浩公式等[8-11]，其中應用最廣泛的是D’Aubuisson公式，計算公式：

(4)

式中，ΔZm—橋前最大壅水高度；η—反映橋墩阻斷流量與設計流量的比值的系數，查表3即可得；vm—橋下平均流速；v0—斷面平均流速。

表3 η系數表

壅水曲線長度計算公式如下：

(5)

式中，Ly—壅水曲線全長；I0—橋址河段天然水面坡度。

經計算，新沂河不同設計洪水工況下壅水高度及壅水曲線長度成果見表4。

表4 經驗公式法壅水計算成果表

由表2與表4對比可知，二維水動力模型推求得到的新沂河各計算工況，壅水高度基本與經驗公式法計算成果一致，壅水長度略小于經驗公式法。在案例中，壅水計算最終成果可以取數值模擬法和經驗公式法計算成果的外包值，即在50年一遇、100年一遇、300年設計洪水條件下，橋前壅水高分別為0.015、0.02、0.02m，壅水長分別為395、521、374m。

3.2 河勢影響分析

根據二維水動力模型模擬成果，橋梁建設將引起橋址附近流場變化，橋梁建設后擬建橋梁上游及其掩護區域內流速略有減小，橋孔及近岸流速略有增加，橋孔間流速偏轉的角一般在2.0°以內。

在50年一遇、100年一遇、300年一遇設計洪水條件下，擬建橋墩上游掩護區流速減小幅度在0.02～0.30m/s，范圍分別為110、120、150m；橋孔間流速略有增加，幅度為0.01～0.06m/s。

綜上，在50年一遇、100年一遇、300年一遇設計洪水條件下，橋梁建設對新沂河行洪時流場、流速影響很小，基本不會對新沂河河勢造成影響(實際案例中還結合了橋梁沖淤計算成果，此處不做贅述)。

4 結論

本次研究以連云港至宿遷高速公路跨新沂河特大橋為例，采用橋址附近實測資料進行水下地形概化，并通過二維水動力模型。經計算，得到在50年一遇、100年一遇、300年一遇設計洪水條件下，橋前壅水高度、壅水長度及流場圖。

研究表明，模型計算得到的壅水高度、長度與經驗公式法計算結果基本一致；二維水動力模型計算得到的流場圖，符合橋前流速變小、橋孔及近岸流速略有增加的一般水文規律。

本文研究成果可為同類型項目提供借鑒，但案例尚未開展水工模型試驗，未來，若條件允許，可以通過水工模型法，進一步驗證二維水動力模型計算成果的合理性與普適性。