基于MIKE21的二维数值模拟在防洪评价中的应用.pdf

第 卷第期 年 月浙江水利水电学院学报J o fZ h e j i a n gU n i v o fW a t R e s&E l e c t r i cP o wV o l N o O c t D O I:/j i s s n 基于M I K E 的二维数值模拟在防洪评价中的应用沈德录,周建芬(浙江中邦水利科技有限公司,浙江 杭州 ;浙江水利水电学院 水利与环境工程学院,浙江 杭州 )摘要:为探究涉河涉堤工程建设对水域防洪等功能的影响,以永嘉县沙头镇响山大桥临时钢栈桥为例,采用M I K E 软件建立模型,计算临时钢栈桥建设前后桥址一定区域内河道水位的壅水高度、壅水长度以及流速变化特点和分布规律,分析临时钢栈桥的建设对楠溪江河道行洪能力的影响.结果显示:临时钢栈桥桥址附近的水位较建设前水位略有升高,最大壅水高度为 m,发生在桥位上游约 m处,桥墩间流速较建设前有所增加,最大流速增幅为 ,计算数值与采用传统方法得出的数值相差甚微.由于桥墩局部的阻水作用,在河水流向桥墩时,两侧会出现小范围绕流,对河道整体水流运动无较大影响.关键词:涉河涉堤工程;M I K E ;壅水高度;流速变化;防洪评价中图分类号:TV 文献标志码:A文章编号:()A p p l i c a t i o no fT w o d i m e n s i o n a lN u m e r i c a lS i m u l a t i o nB a s e do nM I K E i nF l o o dC o n t r o l E v a l u a t i o nS H E ND e l u,ZHOUJ i a n f e n(Z h eji a ngZ h o ngb a ngW a t e rT e c h n o l og yC o,L t d,H a ngz h o u ,C h i n a;C o l l egeo fW a t e rR e s o u r c e sa n dE n v i r o n m e n t a lE ngi n e e r i ng,Z h eji a ngU n i v e r s i tyo fW a t e rR e s o u r c e sa n dE l e c t r i cP o w e r,H a ngz h o u ,C h i n a)A b s t r a c t:I no r d e rt oe xpl o r et h ei mpa c to ft h ec o n s t r u c t i o no fr i v e r e m b a n k m e n tpr oje c t so nf l o o dc o n t r o la n do t h e r f u n c t i o n s i nw a t e ra r e a s,b a s e do nt h et e mpo r a rys t e e l t r e s t l eb r i dgeo fX i a ngs h a nB r i dge i nS h a t o uT o w n,Y o ng ji aC o u n ty,am o d e lw a sb u i l tbyM I K E s o f t w a r et oc a l c u l a t et h ec h a ngec h a r a c t e r i s t i c sa n dd i s t r i b u t i o nr u l e so f t h eb a c k w a t e rh e igh t,b a c k w a t e r l e ngt ha n dv e l o c i tyo f t h er i v e r l e v e l i nac e r t a i na r e ao f t h eb r i dge s i t eb e f o r ea n da f t e r t h ec o n s t r u c t i o no f t h et e mpo r a rys t e e l t r e s t l eb r i dge T h e i n f l u e n c eo f t h ec o n s t r u c t i o no f t e m po r a rys t e e l t r e s t l eb r i dgeo nf l o o dd i s c h a rgec apa c i tyo fN a n x iR i v e r i s a n a lyz e d T h e r e s u l t s s h o wt h a t t h ew a t e rl e v e ln e a r t h e t e mpo r a rys t e e l t r e s t l eb r i dge s i t e i s s l igh t lyh igh e r t h a n t h a t b e f o r ec o n s t r u c t i o n,a n d t h em a x i m u mh e igh to f t h ew a t e r i s m,w h i c ho c c u r sa ta b o u t mups t r e a mo ft h eb r i dges i t e T h ef l o wr a t eb e t w e e npi e r s i n c r e a s e s c o mpa r e dw i t ht h a t b e f o r ec o n s t r u c t i o n,a n d t h em a x i m u mf l o wr a t e i n c r e a s e s by T h e r e i sl i t t l ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h ec a l c u l a t e dr e s u l t sa n dt h o s eo b t a i n e dbyt r a d i t i o n a lm e t h o d s D u et ot h e l o c a lw a t e rb l o c k i nge f f e c to f t h epi e r s,t h ew a t e rf l o w sa r o u n dt h et w os i d e so f t h epi e r sw i t hl i m i t e dr a nge,w h i c hh a sn ogr e a t i n f l u e n c eo nt h eo v e r a l l f l o wm o v e m e n to f t h er i v e r K e y w o r d s:r i v e r e m b a n k m e n tpr oje c t;M I K E ;h e igh to fb a c k w a t e r;v e l o c i tyc h a nge;f l o o dc o n t r o l e v a l u a t i o n收稿日期:作者简介:沈德录(),男,浙江温州人,工程师,主要从事水利工程咨询及设计工作,E m a i l:q q c o m.响山大桥位于浙江温州永嘉县境内,于 年建成,桥梁全长 m,桥宽m,跨径组合为 m.响山大桥经鉴定已被判定为危桥,存在安全隐患,为确保车辆通行安全,相关管理部门决定对响山大桥实施临时限制交通措施.在桥梁两侧设置限高架,禁止高度m(含)以上的车辆通行,但该桥是杭温铁路永嘉段工程施工运输车辆的必经之路.考虑到杭温铁路永嘉段已全面进入主体施工阶段,而现有响山大桥不能满足杭温高铁施工运输车辆荷载要求,为确保杭温铁路正常施工,急需在原响山大桥下游处增设临时钢栈桥.按照 中华人民共和国防洪法(年修正)、河道管理范围内建设项目管理的有关规定(年修正)等法律、法规的规定,建设临时钢栈桥前必须编制防洪评价报告,重点分析评价临时钢栈桥的建设是否满足自身防洪安全需要,提出切实可行的消除或减轻洪水影响的措施.研究目的M I K E 软件是由丹麦DH I公司开发的水利商业应用软件,是较为成熟的二维数学模型之一.在工程应用中,M I K E 软件的水动力模块可以计算给定区域平面多点水位、流速及河床冲淤等二维水力学数据参数,在涉河桥梁防洪影响评价中多用于桥梁附近、桥墩周围的流速计算 .临时钢栈桥位于永嘉县沙头镇响山村(E,N),桥址位于响山大桥下游m处,与两岸现有道路平接,平面布置见图.钢栈桥全长 m,跨径布置()m,桥宽m,跨越楠溪江.桥梁上部采用 I a工字钢纵向承重梁和 I a工字钢横向承重梁结构,下部采用 mm mm钢管桩,涉水桥墩 处,墩台轴线与河道的水流方向基本一致,钢栈桥结构见图,图.以响山大桥临时钢栈桥工程为实例,基于M I K E 二维数值模拟对工程涉及河段钢栈桥建设前后的水流条件变化进行分析,为评价钢栈桥的建设对河道行洪及河势稳定影响提供技术支撑.图临时钢栈桥平面布置图临时钢栈桥桥型图临时钢栈桥立面布置图 研究方法 水文分析本工程涉及 楠 溪 江 响 山 村 段 范 围 的 水 文 分析计算成果在浙江省水利水 电勘测设计 院编制的 楠溪江流域水利规划修编报告中 已有详细计算过程,该成果可用于本次防洪评价水文分析成果比对;按照本工程所在位置及楠溪江流域特点,将响山大桥桥址以上流域分为三个区域:大楠溪流域、小楠溪流域及大小楠溪汇合口至响山大桥区域.根据 浙江省短历时暴雨计算面雨量,再通过浙江省瞬时单位线公式分别推求洪水第期沈德录,等:基于M I K E 的二维数值模拟在防洪评价中的应用更具针对性,洪水组合后分析计算得出本次设计洪水成果.根据 楠溪江流域水利规划修编报告,本工程设计暴雨根据流域雨量站的位置分布状况,选取石柱站、碧莲站作为暴雨分析的参证站.暴雨取样采用同场雨法,以P型曲线适线,从而求得流域不同频率设计暴雨.本次楠溪江响山村段设计暴雨采用浙江省短历时暴雨.点面系数取,根据 浙江省短历时暴雨 图集查得点雨量及变差系数Cv值,即为流域面雨量与Cv值.楠溪江响山村段设计暴雨成果见表.将本次流域设计暴雨成果与 楠溪江流域水利规划修编报告 中的设计暴雨成果进行对比,对比结果见表.表楠溪江响山村段设计暴雨成果时长/h洪水位均值/mmCvCs/Cv不同频率设计洪水位/mm /表设计暴雨成果比较流域或工程名称时长/h洪水位均值/mmCvCs/Cv不同频率设计洪水位/mm 楠溪江响山村段(本次计算成果H)楠溪江流域水利规划修编报告 计算成果H 从表设计暴雨成果比较可以看出,本次设计暴雨计算成果与 楠溪江流域水利规划修编报告 中设计暴雨成果在不同频率条件下相差 mm,差值率为 .考虑了地理地形等因素对暴雨洪水的影响,以及河道对洪水的调蓄作用,偏态系数与变差系数比值Cs/Cv取,符合本流域的洪水特性,推求的设计洪水成果较为可靠.流域汇流计算采用浙江省瞬时单位线法.由设计暴雨雨型分配,求取各时段雨量过程,扣除初损、后损,得到各时段净雨过程,按流域特征值计算瞬时单位线相关参数,从而求出各频率设计洪水.计算分区见图,相应计算结果见表,表.图楠溪江流域分区示意图浙江水利水电学院学报第 卷表楠溪江流域分区特征值序号分区名称F/k mL/k mJ/大楠溪 小楠溪 汇合口至响山大桥 表楠溪江流域分区设计洪水计算结果序号分区名称不同频率洪峰流量/(ms)大楠溪 小楠溪 汇合口至响山大桥 通过对各分区洪水进行组合计算,楠溪江响山村段响山大桥桥址处 年一遇洪峰为 m/s,年一遇洪峰为 m/s,年一遇洪峰为 m/s,年一遇洪峰为 m/s.石柱水文站地处大楠溪,集水面积为 k m,碧莲站位于小楠溪,集水面积为 k m.这两个水文站的总控制面积达 k m,占楠溪江流域的 ,水文气象条件一致,是作为设计洪水分析较为理想的代表站.因此,本次设计洪水分析中,采用流域内石柱站、碧莲站的实测洪水资料进行计算比较,比较结果见表,表.表石柱站设计洪水结果比较项目频 率 Qm/(ms)Qm/(ms)Qm/(ms)QmQm/表示根据实测洪水推求的洪峰流量(直接法);表示通过暴雨资料推求的洪峰流量(本次计算).表同.表碧莲站设计洪水结果比较项目频 率 Qm/(ms)Qm/(ms)Qm/(ms)QmQm/由表,表可见,本次推求的石柱站、碧莲站设计洪峰与实测洪峰相对误差在以内,说明由设计暴雨采用瞬时单位线推求设计洪水的成果基本合理、可靠.水利计算桥址处距楠溪江河口约 k m,认为该段河道不会受到楠溪江下游的潮水上溯影响.对于山溪性河流,由于溪流槽蓄作用差,洪水陡升陡落,本次采用一维恒定非均匀流进行水位分析计算,水位成果作为钢栈桥下游水位边界条件,计算结果见表.水面线可通过求解能量方程求得,逐断面依次计算,具体表达式为ZYaVgZYaVghe()heL SfCaVgaVg()式()式()中:Z为上游断面河底高程,m;Z为下游断面河底高程,m;Y为上游断面水深,m;Y为下游断面水深,m;V为上游断面平均流速,m/s;V为下游断面平均流速,m/s;a为上游断面动能修正系数;a为下游断面动能修正系数;g为重力加速度,取 m/s;he为水头损失,m;Sf为水力坡度;L为断面平均距离,m;C为断面收缩系数或扩散系数.表响山大桥桥址下游洪水位项目 年一遇 年一遇 年一遇年一遇水位/m 计算工况根据 楠溪江流域水利规划修编报告,该区域防洪标准 为 年一遇.经踏勘,桥 址处现状溪流右岸为S 省道(仙清线)路基挡墙及部分滩地,左岸临江侧均为自然岸坡,后为农田,桥址两岸目前尚 未进行堤防 规划建设.由 于钢栈桥使用期较短,属于 临时性工程,根据 防 洪标准(G B )第 章节的描述,对使用期较短的建筑物,可适当降低防洪标准,承担一定的防洪风险,同时,在经济上也是合理可行的.结合工程实际情况,拟定计算年一遇工况.钢栈桥上游洪峰流量为 m/s,下游 k m处相应洪水位为 m.阻水分析计算通过钢栈桥施工图,结合实地现场踏勘情况,第期沈德录,等:基于M I K E 的二维数值模拟在防洪评价中的应用钢栈桥最低桥面高程为 m,最低梁底高程 m,与原响山大桥桥面及梁底高程基本一致,但均不满足年一遇防洪要求.阻水分析采用 浙江省涉河桥梁水利技术规定(试行)要求“阻水比为在设计水位条件下,桥梁阻水结构在垂直于水流方向上的投影面积与河道过水断面面积之比”进行分析计算.跨越、级堤防桥梁的阻水面积百分比不宜大于,同时不得超过.跨越级及以下堤防以及无堤防河道的桥梁的阻水面积百分比不宜大于,不得超过;根据现场周边堤防工程建设情况,工程沿线堤防等级均为级及以下.经计算,钢便桥建设后阻水比为 ,满足相关要求.桥梁阻水比计算结果见表.表桥梁阻水比计算结果特征位置现状桥下过水断面面积/m阻水面积/m阻水比/响山大桥桥址 水流运动基本方程水流连续方程为htu hxu hy()水流运动方程为utuuxvuygnu uvh/vt(uxuy)()vtuvxvvygnv uvh/vt(vxvy)()式()式()中:t为时间,s;x,y分别为笛卡尔坐标系坐标,m;h为水深,m;u为横向水流速度,m/s;v为纵向水流速度,m/s;n为糙率系数;vt为涡流系数.二维水流数学模型的建立 计算范围和网格划分数学模型计算范围应充分涵盖工程建设可能影响到的范围,结合钢栈桥所处河段河势条件及本次研究分析内容等因素,模型计算范围为钢栈桥轴线上下游各 m.利用S M S软件生成三角形网格离散计算区域,网格大小随河道河势变化而变化,并在桥墩处 进行局部加 密,网 格 最 小 边 长 为 m,区域共离散为 单元和 节点.边界条件模型所选用的河道边界资料采用 温州市永嘉县市级河道划界方案 中楠溪江划界成果,桥轴线上游 k m处为流量边界条件,下游 k m处为水 位 边 界 条 件(通 过 水 面 线 推 求 可 得 下 游 k m处相应洪水位为 m),其余为陆地边界条件.建桥前桥墩处的网格单元不作处理,建桥后桥墩处的网格单元按照陆地边界处理.计算范围地形见图.图工程范围地形概化 有关参数的选取 河道糙率本区域缺少实测洪水资料,参考计算断面上游石柱、碧莲水文观测站实测数据进行分析,同时参照有关天然河道河床糙率取值表,并结合楠溪江响山村段的河床组成、岸坡光洁度以及河道过流断面形状等综合因素来确定,本次计算河道综合糙率系数取用 .干湿边界处理为保证模型计算过程的连续性,采用动边界模拟不同水位下网格的干湿变化情况.本次干边界水深取 m,湿边界水深取 m.结果计算模型所选用的河道边界资料采用 永嘉县省级、市级河道划界 中楠溪江划界成果.边界条件:工程所在地上游 k m处为流量边界条件,下游 k m处为水位边界条件,其余为陆地边界条件.相关的数学模型及计算结果见图图.浙江水利水电学院学报第 卷图数学模型计算范围图桥墩处网格局部加密图第期沈德录,等:基于M I K E 的二维数值模拟在防洪评价中的应用图建设前桥墩附近流场等值线图建设前局部桥墩流场矢量分布浙江水利水电学院学报第 卷图 建设后桥墩附近流场等值线图 建设后局部桥墩流场矢量分布通过模型计算分析,在遭遇年一遇洪水时,临时钢栈桥桥址附近的水位较建设前水位略有升高,主要表现在水流受到桥墩压缩,在桥墩迎水面形成壅水.对M I K E 计算结果进行后处理,得到最大壅水 高 度 为 m,出 现 在 桥 址 上 游 约 m处;在桥墩背水面形成跌水,最大跌水高度为 m,出现在桥址下游约 m处,桥下平均流速约 m/s,最大流速增幅为 .通过M I K E 计算结果得到的桥前最大壅水值、桥下平均流速,与采用经验公式计算得到的桥前最大壅水值 m、桥下平均流速 m/s基本接近,由此可知,通过M I K E 模型计算得到的结果是比较合理的.受桥墩局部的阻水作用影响,水流向桥墩两第期沈德录,等:基于M I K E 的二维数值模拟在防洪评价中的应用侧出现绕流,计算结果表明绕流范围较小,对河道整体水流运动无较大影响;桥梁左岸边墩离桥台挡墙较近,但左侧桥台现状呈“丁字形”,可大大降低靠近左侧桥台桥墩遭受洪水的冲刷作用;横断面方向桥墩的阻水作用,使得桥址处的过水断面宽度及面积减小,桥墩间流速较建设前有所增加,最大流速增幅为 ,桥墩周边流速降低幅度较大.根据 浙江省涉河桥梁水利技术规定(试行)要求,临时钢栈桥建设后引起的水位壅高以“对于不允许越浪的河道江(海)堤,桥墩阻水引起的最大壅水高度应控制在堤顶安全超高值的 以内;对于允许越浪的江(海)堤最大壅水高度应在堤顶安全超高值的 以内”作为评价依据;工程建设流态变化以“根据钱塘江、浦阳江、曹娥江、飞云江、瓯江、甬江等河道上 座已建桥梁引起的流速变化定床物理模拟和数值模拟研究,堤脚前的流速增大值可以控制在以内”作为评价依据.工程涉及河道现状为无堤防,按级堤防不允许越浪考虑,最大壅水高度应小于 m.综上分析,响山大桥临时钢栈桥的建设对楠溪江流域响山村段的水位、流速影响较小,皆在可控范围内.结论本研究以永嘉县沙头镇响山大桥临时钢栈桥工程为实例,采用M I K E 二维数值模拟对工程涉及河段钢栈桥建设前后的水流条件变化进行模拟分析,计算结果显示:临时钢栈桥桥址附近的水位较建设前水位略有升高,最大壅水高度为 m,发生在桥位上游约 m处,桥墩间流速较建设前有所增加,最大流速增幅为 ,计算结果与经验公式计算结果基本一致,认为该模型能够较好满足响山大桥临时钢栈桥防洪评价需要.由于钢栈桥的建设引起的水位壅高、壅水影响范围及流速增幅值较小,故对楠溪江河道行洪能力、河势稳定影响较小.但根据施工设计方案,临时钢栈桥左岸边墩离桥台挡墙最小距离仅为 m,小于桥墩直径的倍,不满足相关要求.建议建设单位在汛期时,在左侧承台处抛掷沙袋,防止洪水对左侧承台基础的冲刷;在钢栈桥使用过程中,应加强对桥面及左侧桥台挡墙的安全监测,发现问题及时采取措施;通过施工图结合现场踏勘结果,临时钢栈桥设计高程与响山大桥高程基本一致,但均不满足年一遇防洪要求,建设单位应设置相应的警戒水位及撤离水位,并派专人进行水位观测,如遇上游达到相应水位或接到防汛调度指令的情况,应立即中断交通,限制通行.目前,水流条件模拟主要有物理模型模拟和数学模型模拟,物理模型往往需要耗费大量人力物力,且改变边界条件较为困难;而数学模型的边界条件可以随时改变,随着计算机技术的发展,计算速度更快、成本更低,软件的通用性更强.本实例中M I K E 二维数值模拟结果能够较好地反映钢栈桥建设前后桥址所在河段的水位、流速变化情况,可为钢栈桥工程防洪评价及项目审批提供技术支撑.参考文献:马小兵,马志华 M I K E 、M I K E 软件在桥梁工程防洪影响评价计算中的联合应用J浙江水利科技,():张冲伟浅析M I K E 二维模型在桥梁防洪评价中的应用J黑龙江水利科技,():梁佰军,杨伏香,李东风,等绍兴柯桥主城区清水工程水动力分析J浙江水利水电学院学报,():陈跃青,吴文静,吴乃康,等楠溪江流域水利规划修编报告R杭州:浙江省水利水电勘测设计院,马志鑫,伍远康,汪邦道,等浙江省短历时暴雨R杭州:浙江省水文勘测局,钮泽宸,张佩琳,傅联森浙江省瞬时单位线法J浙江水利科技,():江政儒,陈家豪,潘勇,等大溪治理提升工程建桥一维水动力模拟分析J浙江水利水电学院学报,():丁伟,唐洪武,戴文鸿,等涉河桥梁阻水影响因素研究J水利水运工程学报,():吴松华,章哲华,姚炎明浦坝港二维潮流数值模拟研究J浙江水利水电学院学报,():马明,陈承洁,陈宝强,等温州市永嘉县市级河道划界方案R杭州:温州市水利电力勘测设计院,(责任编辑:薛妍)浙江水利水电学院学报第 卷