基于MIKE21模型对桥梁施工期洪水影响分析.pdf

第 29 卷第 10 期2023 年 10 月水利科技与经济Water Conservancy Science and Technology and EconomyVol.29 No.10October,2023收稿日期 2023-04-27作者简介 胡丽琴(1997-),女,贵州铜仁人,助理工程师,从事水利工程设计工作;王 进(1995-),男,贵州毕节人,助理工程师,从事水利工程设计工作;陈双飞(1995-),女,贵州毕节人,硕士研究生,从事生态学与民族学相关研究工作.doi:10.3969/j.issn.1006-7175.2023.10.019基于 MIKE21 模型对桥梁施工期洪水影响分析胡丽琴1,王 进1,陈双飞2(1.贵州众诚天河水利工程有限公司,贵州 毕节 551700;2.贵州大学,贵阳 550025)摘 要通过 MIKE21 水动力模型,对上虞舜某大桥拼宽工程临时工程阻水影响进行计算模拟。结果表明,临时工程对百年一遇洪水的影响较小,壅水影响范围仅在桥上游附近,水位雍高 0.040.13m,不会对两岸设计洪水位产生影响,也不会改变原有的岸线规划。工程施工期间,局部流速大小会发生变化,最大变化幅度 0.20m/s;工程施工期间,会有一定程度的冲淤,但相对较小,且影响范围仅局限于工程河段。从整体上来说,工程的实施不会改变河势的稳定。关键词MIKE21;数值模型;防洪影响中图分类号 TV698.1+63 文献标识码 A 文章编号 1006-7175(2023)10-0092-06Analysis of Flood Impact during Bridge Construction Based on MIKE21 ModelHU Li-qin1,WANG Jin1,CHEN Shuang-fei2(1.Guizhou Zhongcheng Tianhe Water Conservancy Engineering Co.Ltd.,Bijie 551700,Guizhou,China;2.Guizhou University,Guiyang 550025,China)Abstract:Based on the MIKE21 hydrodynamic model,the paper calculates and simulates the water blocking effect of the temporary works of a bridge widening project in Shangyushun.It is concluded that the temporary works have little impact on the 100-year flood.The influence range of backwater is only near the upstream of the bridge,and the water level is 0.040.13m,which will not affect the design flood level on both banks,nor change the original shoreline planning.During the construction of the project,the local flow velocity will change,with the maximum variation of 0.20m/s.During the construction of the project,there will be scouring and silting to a certain extent,but it is relatively small,and the scope of influence is limited to the project river section.On the whole,the implementation of the project will not change the stability of the river regime.Key words:MIKE21;numerical model;flood control impact29胡丽琴,等:基于 MIKE21 模型对桥梁施工期洪水影响分析第 10 期1 项目概况曹娥江是钱塘江重要支流,上游属山溪性河流,下游属潮汐河道,干流长 197km,平均比降3.0,流域面积 6 080km2。主流澄潭江发源于磐安县尚湖镇城塘坪,流经镜岭、澄潭、梅渚,至嵊州苍岩,流向转为东北,至下南田右纳新昌江,再下行左汇长乐江,北流 4km 至万年亭附近,黄泽江由右岸汇入,向北流经屠家埠、三界镇入上虞市境,沿右岸有四明江、嵊溪(里东江)、盛岙溪,左岸有陆康溪等支流汇入,继续向北经章镇右纳隐潭溪、下管溪,以下左纳范洋江、小舜江,至百官镇折向西北,先后经马山闸、新三江闸等水闸左纳萧绍平原内河诸水,在新三江闸下游15km 注入钱塘江河口段。舜某大桥拼宽建设工程项目位于绍兴市上虞区曹娥江上,该项目位于现在舜某大桥北侧新建半幅桥,新建桥梁总长 857.7m。其中,主跨176m,标准断面宽 22.5m;引桥全长 681.7m,标准断面宽 16.75m。该项目实施可解决城市核心区过江交通拥堵问题。舜某大桥拼宽建设工程施工时,将在江中修建临时便道、钢便桥、引桥等临时设施,占用一部分过水面积,部分设施需在汛期施工,可能引起局部河段的水位变化和河床冲刷,影响洪水渲泄和标准塘的安全。根据中华人民共和国水法中华人民共和国防洪法河道管理范围内建设项目管理的有关规定等法律法规的规定,必须对建设工程引起的江道行洪及堤防安全的影响进行分析论证,为水行政主管部门审批提供技术依据。本文采用 MIKE21 水动力模型,对工程施工临时建筑进行模拟,分析前后水位、流速变化对河道的防洪影响。2 水动力模型概述2.1 MIKE21 简介及应用MIKE21(HD 模块)是由丹麦水利研究所开发的高可靠性、高质量和多功能性的专业软件,用于流体动力学、波浪、沉积物动力学、水质和生态学的 2D 建模,适用于世界各地的所有水环境。数值模型在许多拟议的开发项目中发挥着重要作用,包括评估其潜在影响。孙治平等1利用 MIKE21 的二维水动力模型进行黄河上游跨河桥梁雍水数值模拟,模拟结果与实测数据误差小于 5%。MIKE21FM 模型具有适应复杂地形和保证物质通量守恒的优点,使用该模型计算时需注意地形准确度要求高,应使用精确的地形资料以避免误差2。任梅芳等3通过 MIKE21FM 模型,计算桥前壅水值与经验公式计算值的比较和分析,数学模型能够更好地模拟复杂地形,提供更加合理的计算结果。利用MIKE21FM HD 模型进行非恒定流水动力洪水演进数值模拟,结合 SuperMap GIS 软件,进行河道淹没范围图绘制和河道洪水动态演进可视化系统开发。模拟结果验证了模型的合理性,并得出了不同时段洪水演进数据、最大淹没水深、淹没流 速、淹 没 历 时 等 数 据4。庞 中 华5利 用MIKE21 模型,计算了涉河建筑防洪影响,计算结果与实际水文观测结果相符合,可为第三方洪水影响评价提供数据支撑。2.2 水动力模块的原理二维非恒定流水动力模块的原理基于二维不可压缩流体雷诺平均应力方程,公式如下:h=+d(1)描述平面二维水流连续方程为:ht+hu-x+hv-y=hS(2)描述平面二维水流的动量方程为:hu-t+hu-2x+hvuy=fv-h-ghx-h0pax-gh220 x+sx0-bx0-10Sxxx+Sxyy()+x(hTxx)+y(hTxy)+husS(3)hv-t+huvx+hv-2y=fu-h-ghy-hpa0y-gh220y+sy0-by0-10Syxx+Syyy()+x(hTxy)+y(hTyy)+hvsS(4)hu-=duhz hv-=-dvhz(5)式中:u-、v-为基于水深平均的流速;t 为时间;x、y、z为笛卡尔坐标;为河底高程;d 为静水水深;h=39第 29 卷第 10 期2023 年 10 月水利科技与经济Water Conservancy Science and Technology and EconomyVol.29 No.10October,2023+d 为总水头;u、为 X、Y 方向的速度分量;g 为重力加速度;为水的密度;Sxx、Sxy、Syx、Syy为辐射应力的分量;pa为大气压强;0为水的相对密度;S为点源流量大小;us、vs为源汇项水流的流速。侧向应力项 Tij包括黏滞摩擦、湍流摩擦、差异平流,其值由基于水深平均的流速梯度的黏性涡黏性公式估算,公式如下:Txx=2Au-xTxy=Au-y+-x()(6)Tyy=2Av-y2.3 模型所需数据1)地形数据。地形数据主要是模型计算范围内的地形建筑物等,这些数据通常是 DEM、CAD 图纸等,主要包含高程数据。2)水文数据。水文数据包含降雨、蒸发、历史洪水、上下游的水位流量等数据。3)粗糙系数。粗糙系数是水力模型的一个重要参数,对模型影响较大,一般可以参考经验值或者通过模型区域实测水文数据进行率定。3 计算实例针对平面尺度较大、水深尺度较小、无明显垂直环流以及垂向流速较小的浅水流动,可以采用静水压力假设,并沿着水深方向进行积分,以简化三维水流运动方程,这种简化后的流动方程称为平面二维浅水方程。在考虑涉水建筑物的情况下,结合资料条件和河道特性,选择使用平面二维 MIKE 21FM 模型进行计算,以模拟曹娥江江道的流动情况。由于该江道相对较为宽浅,平面二维浅水方程能够有效描述其运动。3.1 阻水分析工程施工期,新桥+主桥钢便桥及支架+引桥钢管立柱+筑岛平台及钢平台同时存在。在规划工况百年一遇洪水位 10.16m 条件下,最大新增阻水面积 357.33m2。其中,新桥桥墩阻水面积144.45m2,钢便桥及支架阻水面积 79.04m2,引桥阻水面积 26.47m2,筑岛平台阻水面积 98.45m2,钢平台阻水面积 7.48m2,行洪断面总面积 3 192.55m2。临时阻水率最大约为11.20%。3.2 模型计算工况采用数学模型探讨工程施工期间对水流的影响,主要通过工程施工期水位、流速、河床冲淤变化等指标进行对比分析,预测舜某大桥拼宽工程施工期间对周边水环境的影响。洪水运行存在两种极端情况:洪峰遭遇下边界外江高潮位顶托,泄洪受阻,形成高水位情况;洪峰与下边界外江低潮位相遇,泄洪通畅,造成河道流速较大的情况。据此,确定本次计算的水流条件,见表 1。表 1 各计算组次及边界条件工况方案名称工程描述上下水边界条件工况 1方案一单独老桥(现状)方案二新桥+老桥+主桥钢便桥及支架+引桥 04 联+P14、P 筑岛平台+P15 钢平台方案三新桥+老桥+引桥 04 联+主桥钢便桥及支架+P15 筑岛平台方案四新桥+老桥+主桥钢便桥及支架+引桥 07 联上边界流量 7 597m3/s,下边界水位 6.2m工况 2方案五单独老桥(现状)方案六新桥+老桥+主桥钢便桥及支架+引桥 04 联+P14、P15 筑岛平台+P15 钢平台方案七新桥+老桥+引桥 04 联+主桥钢便桥及支架+P15 筑岛平台方案八新桥+老桥+主桥钢便桥及支架+引桥 07 联上边界流量 7 597m3/s,下边界水位 3.5m49胡丽琴,等:基于 MIKE21 模型对桥梁施工期洪水影响分析第 10 期3.3 计算域概化MIKE21 中有两种网格生成方式,即结构化、非结构化网格。两种方式各有优缺点;结构化网格优点为数据结构简单,计算时对计算机 CPU 占用较低,计算速度明显较快;缺点为不能精确拟合河网边界。非结构化网格很好地弥补了结构化网格缺点,对于复杂的地形能更精确地拟合模拟区域的边界,更加精确地反映出实际地形的变化。本次数学模型上下边界见图 1。整个计算域的面积约 46km2,模型未考虑其它支流的流量汇入。计算域内的网格布设考虑了水流、地形梯度的差异,对水流、地形复杂河段以及工程附近区域的计算网格作了进一步加密,以便更好地反映该地区水流、地形变化特征。图 1 二维数学模型计算范围为保证流场模拟精度,本模型选择非结构化网格(图 2),而且对临时支架及桥墩附近进行加密处理(图 3、图 4),网格最小边长约 0.5m。整个计算域内共布设 41 308 个三角形单元、22 903个有效节点。对于桥墩及施工支架的处理,根据各桥墩的有效阻水宽度及支柱进行了概化,并将其剖分至模型网格中,模型通过识别网格属性,使其参与或不参与模型计算。对于 P14、P15 号桥墩处的筑岛平台处理(高程 4.9m),采用地形修改,在模型内对应位置地形进行填筑到对应高程。图 2 二维数学模型计算网格图 3 方案二局部网格图 4 方案三局部网格59第 29 卷第 10 期2023 年 10 月水利科技与经济Water Conservancy Science and Technology and EconomyVol.29 No.10October,20233.4 模型边界计算范围的选取主要考虑两个因素:计算水边界应取在容易给定边界条件的地方;计算水边界应离工程区域足够远,以避免工程实施对边界条件的影响。根据以上原则,本次计算范围设置为:上边界设置在距拟建工程上游约 15km,上边界采用洪水流量;下边界设置在距拟建工程下游约 44km,采用出口断面水位,模型初始条件设置 3.5m 水位。3.5 壅水影响分析采用二维数学模型,分别对舜某大桥拼宽施工时与施工前百年一遇洪水设计工况进行计算,对比舜某大桥的水位,分析由于受到舜某大桥拼宽后桥墩增加及临时工程施工的阻水作用,在水流方向形成壅水和跌水现象。舜某大桥所在河道断面河宽约 480 570m,主槽在此呈 S 形弯曲,桥梁断面主槽位于河道右侧,左侧为半圆形凸状滩地,滩地高程 5.30 10.7m。舜某大桥老桥的桥梁布跨为:1213m+1035m+1020m=706m,河道中间共有 18 组桥墩。新建半幅桥桥梁布跨:有 11 组桥墩落在曹娥江河道之中,桥墩编号为 P5-P15,除 P14 和P15 号主跨桥墩落在河道主槽两侧外,其余桥墩均位于左岸滩地上。引桥支架布设钢管立柱共 134 根,P15 钢平台设置 24 根钢管立柱,筑岛平台 P14、P15 占据两处水上平台。施工临时支架对舜某大桥附近雍水影响见图 5-图 7。由图 5-图 7 可知,由于桥墩和施工支架增加的阻水作用,在桥位上游形成壅水,越靠近桥墩,壅水现象越明显。在主跨大桥墩附近形成雍水极值,桥位下游断面下游形成跌水,影响范围桥下游约 600m,桥上游约 1 000m。方案二相比于方案一,位于河道主槽左侧 P14号桥墩前部 100m 范围内雍水明显,雍高约 0.040.11m,局部最高雍水约0.11m;位于河道主槽右侧P15 号桥墩前150m 范围内雍高约0.040.10m,左岸滩地水位略有雍高,雍高在 0.03m 以内。方案三相比于方案一,位于河道主槽左侧 P8-P11 号桥墩前部 50m 范围内雍高约 0.010.06m,P14 号桥墩前部 50m 范围内雍高 0.030.09m,P15 号桥墩前部 100m 范围内雍高 0.030.10m。方案四相比于方案一,主桥墩 P14 与 P15 前部雍水较明显,桥墩前部100m 范围雍高0.020.08m,左岸滩地水位略有雍高,雍高在0.02m 以内。图 5 方案二与方案一水位差值等值图图 6 方案三与方案一水位差值等值图图 7 方案四与方案一水位差值等值图3.6 流速影响及流场影响分析当曹娥江遭遇洪水时,受上游微弯河道的导控,在上游人民大桥断面,主槽居于河道中间,洪水主流沿着微弯的主槽演进,主流逐渐偏向右岸;到达舜某大桥断面时,主流基本位于河道右侧;过了舜某大桥断面后,主流沿着河槽逐渐又向左岸偏转,左岸河道滩地,流速较小。69胡丽琴,等:基于 MIKE21 模型对桥梁施工期洪水影响分析第 10 期为分析舜某大桥拼宽工程施工期对流场的影响,对方案五、方案六、方案七、方案八的流场、流速变化进行分析,施工期间对河流流向影响较小,河流的流向整体没有改变,只是桥墩及支架阻水局部受影响。由图 8、图 9、图 10 可知,舜某大桥拼宽工程区域,受桥墩及施工支架的影响,老桥、新桥桥墩及施工支架有所错位,流速流态大小变化更加复杂。由于新增桥墩及施工支架阻水,P14-P15 桥墩间流速局部增加,流速增幅基本在 0.10 0.40m/s,左侧滩地 P8-P11 桥墩间流速增幅基本在 0.20m/s 以内。桥位断面桥墩及施工支架隐蔽区流速减小,减小幅度局部可达 1.5m/s。舜某大桥下游左侧流速略有减小 0.020.60m/s;右侧有所增加,增幅约 0.05m/s。舜某大桥上游流速略有变化,流速减小幅度基本在 0.10m/s 以内,右侧局部减小约 0.30m/s。图 8 方案六与方案五流速差值图 9 方案七与方案五流速差值4 防洪影响评价从数模计算分析来看,上虞舜某大桥拼宽工图 10 方案八与方案五流速差值程临时工程对百年一遇洪水位的影响在桥位断面水位壅高基本在 0.040.13m,壅水影响范围较小,仅在桥上游附近,因此对两岸设计洪水位基本没有影响。1)该临时工程不会对曹娥江河口整治规划产生影响,也不会改变原有的岸线规划。2)工程施工期间,附近较小范围内流速大小发生变化,上下游河段流速最大变化幅度0.20m/s。3)工程施工期间,在老桥+新桥+临时工程同时存在的最不利情况下,与现状相比,引起的洪水壅高在百年一遇洪水条件下为 0.040.13m,影响区域主要在桥梁上下游局部区域内。4)舜某大桥拼宽工程施工期间,河道右侧主槽将有 0.20.6m 的冲刷,主墩两侧将有 0.20.9m 左右的冲刷,河道左侧滩地有冲有淤,大部分在-0.20.2m 之间。由工程施工引起的冲淤量相对较小,且影响范围仅局限于工程河段,从整体上来说,工程的实施不会改变河势的稳定。参考文献1 孙治平,赵志宏,刘子金,等.基于 MIKE21 的跨河桥梁壅水数值模拟分析J.水资源与水工程学报,2022,33(6):129-136.2 王增钦.MIKE21 FM 在桥梁壅水分析中的应用J.中国农村水利水电,2015(3):161-163.3 任梅芳,徐宗学,苏广新.基于二维水动力模型与经验公式的桥梁壅水计算及其对比分析J.水力发电学报,2017,36(5):78-87.4 王素云.基于 MIKE21 FM 的河道洪水数值模拟研究D.郑州:华北水利水电大学,2019.5 庞中华.MIKE21 模型在涉河工程洪水影响评价中的应用J.陕西水利,2022(8):48-50,53.79