基于MIKE21的城市桥梁防洪影响分析研究.pdf

研究探讨STUDIES AND DISCUSSIONS中国防汛抗旱CHINA FLOOD&DROUGHT MANAGEMENTOct.2023 NO.10 VOL.332023年10月 第10期 第33卷0 引言近年来，随着城市的发展，桥梁工程日益增多，新建城市桥梁附近河道的流势流态将产生局部变化，对河道行洪、河势和周围桥梁造成一定的影响，同时河道行洪也对桥梁本身的安全造成影响，因此，对城市桥梁建设的防洪影响分析十分必要。目前采用丹麦水利研究院（DHI）开发的 MIKE21 FM模型对桥梁工程进行水位和流场模拟已得到广泛应用1-3，且计算稳定性强和精确度高。本文以河北沧州黄骅市南排河桥为例，通过建立二维数值模型，对建桥前后的水位和流场等进行模拟，为城市桥梁建设的防洪影响分析提供依据。1 基本原理MIKE21平面二维数学模型是以垂线平均的水流因素作为研究对象，对河段的平面水位、流场及河床细部的变化情况进行数值模拟计算。二维浅水控制方程组如下：ht+hu x+hv y=hS（1）hu t+hu 2x+hu 2y=fv h-ghx-h0Pax-gh220 x+SX0-bX0-1()Sxxx+Sxyx+x()hTxx+x()hTxy+huSS（2）hv t+hv 2x+hv 2y=fv h-ghy-h0Pay-gh220y+Sy0-by0-1()Syxy+Syyx+x()hTxy+y()hTyy+hvSS（3）式中：为水位，m；h为静止水深，m；u、v、w分别为流速在x、y、z方向上的分量，m/s；Pa为当地大气压，N/m2；为水密度，kg/m3；0为参考水密度，kg/m3；g为重力加速度，m/s2；f为Coriolis参量，f=2sin；为地球自转角速度，s-1；为地理维度，（）；Sxx、Sxy、Syx、Syy为辐射应力分量，m2/s2；基于MIKE21的城市桥梁防洪影响分析研究杜麦1陈小威2（1.石家庄丰水工程咨询有限公司，石家庄050000；2.宁夏水利水电勘测设计研究院有限公司河北分公司，石家庄050000）DOI:10.16867/j.issn.1673-9264.2023034摘要：利用 MIKE21 FM 建立二维水动力模型，以河北沧州黄骅市南排河桥为例，对城市桥梁建设前后水位及流态进行模拟，同时采用两种方法进行桥梁壅水计算，由此分析桥梁建设对河道行洪及河势、第三方的影响和工程自身安全。结果表明，建立的二维模型较为精确，壅水成果合理，可作为桥梁建设防洪影响分析的依据；桥梁建设后桥梁上游水位壅高为0.0160.018 m，桥墩处平均流速增加0.05 m/s，桥梁梁底高程满足要求，工程自身安全，工程建设对河道行洪能力、河势和第三方等影响较小。关键词：MIKE21模型；城市桥梁；壅水；防洪影响分析；河北沧州黄骅市中图法分类号：TU279.7+2文献标识码：B文章编号：1673-9264（2023）10-73-05杜麦，陈小威.基于MIKE21的城市桥梁防洪影响分析研究J.中国防汛抗旱，2023，33（10）：73-77.DU Mai，CHEN Xiaowei.Analysis and research on flood impact of urban bridges based on MIKE21J.China Flood&Drought Management,2023，33（10）：73-77.（in Chinese）收稿日期：2023-02-06第一作者信息：杜麦，女，工程师，硕士，E-mail：。73研究探讨STUDIES AND DISCUSSIONSCHINA FLOOD&DROUGHT MANAGEMENT中国防汛抗旱Oct.2023 NO.10 VOL.332023年10月 第10期 第33卷Txx、Txy、Tyy为水平黏滞应力项，m2/s；S为源汇项，m3/s；uS、vS为源汇项水流速度，m/s。2 研究概况以城市桥梁南排河桥为例，通过建立二维水动力模型模拟桥梁建设前后水位及流场变化情况，为桥梁防洪影响分析提供依据。南排河桥位于黄骅城区，于春熙体育公园附近跨越南排河，跨越位置处河道断面形式为复式断面，现状河道宽约220 m，主槽宽约128 m，深约7 m，河底为平坡。南排河桥设计桥梁与河道交角85，桥长220 m，跨度组成1120 m，墩柱直径1.3 m，桩直径为1.4 m。3 模型构建3.1 计算范围本次计算区域的上边界选在南排河桥断面上游3 100 m处，下边界为扣村闸处，地形采用2021年12月实测地形，本次将桥墩概化为一个独立的剖分单元（Polygon），在桥墩周边区域的网格适当加密，计算域内共布设了28 763个三角形单元和15 563节点，1 226个水深点。3.2 相关参数模型相关系数参照相关经验选取，经过参数调试，确定相关参数如下：（1）防洪标准。根据 黑龙港运东地区防洪除涝规划，南排河排涝标准近期为10年一遇，远期为20年一遇。考虑南排河远期河道治理方案的不确定性，本次河道标准按近期为10年一遇评价。桥梁标准根据 城市桥梁设计规范（CJJ 112011）按相交河道洪水频率取近期10年一遇，结构安全按100年一遇设计。（2）河床阻力。参考 水力计算手册，本次计算取河床阻力（Bed Resistance）为33 m1/3/s，并采用一维模型计算成果率定。将桥墩概化为一个独立的剖分单元后，建桥前桥墩区域按过水处理，河床阻力（Bed Resistance）为33 m1/3/s，建桥后桥墩部分不参与计算4。（3）动边界处理。采用干湿判别确定计算区域由于水位变化产生的动边界，干水深取0.01 m，洪水深取0.01 m，湿水深取0.1 m。（4）边界条件输入。上游边界为 10 年一遇洪峰流量540 m3/s，下游边界取闸孔出流公式计算得出的扣村闸闸前水位5.39 m。3.3 模拟成果根据以上分析确定的河道有关计算条件，模拟建桥后桥墩处水位等值线图和流场图如图1和图2所示，建桥前后水位模拟成果表（由于篇幅限制，本次仅呈现部分成果）如表1所示。3.4 合理性分析由于本次计算区域内无南排河大洪水的实测资料，本次河槽糙率利用HEC-RAS一维水力模型模拟建桥前成果进行率定5，率定成果如下。由图3可知，二维模型成果与一维模型水面线成果基本一致，MIKE21 模拟流速成果较 HEC-RAS 成果较为偏大，但成果趋势基本一致，两种模型计算模拟结果相互吻合较好，因此选定的糙率合适，建立的二维模型计算成果合理，模拟精度较为精确，可作为新建城市桥梁防洪影响分析的依据。6.0005.9926.0005.9845.9925.9765.9845.9685.9765.9605.9685.9525.9605.9445.9525.9365.9445.9285.9365.9205.9285.9125.9205.9045.9125.8965.9045.8885.8965.888地面高程/m图1 建桥后桥址处水位等值线示意图0.960.900.960.840.900.780.840.720.780.660.720.600.660.540.600.480.540.420.480.360.420.300.360.240.300.180.240.120.180.12速度/（ms-1）图2 建桥后桥址处流场示意图74研究探讨STUDIES AND DISCUSSIONS中国防汛抗旱CHINA FLOOD&DROUGHT MANAGEMENTOct.2023 NO.10 VOL.332023年10月 第10期 第33卷（a）水位02 0004 0006 0008 000 10 0005.35.45.55.65.75.85.96.06.16.2断面里程/m水位/mMIKE21成果HEC-RAS成果4 防洪影响分析4.1 布置分析新建桥梁采用全桥跨越方式跨越南排河，桥梁轴线与河道水流方向交角为85，同组桥墩中心连线与水流方向平行，桥梁设计跨径为20 m，同时与上游桥梁并孔布置，发生10年一遇设计标准的洪水时，桥墩阻水比为6.38%，阻水比较小；桥长不小于河道上口宽。综上，桥梁布置基本合理。4.2 壅水分析桥前壅水直接关系到河道两岸的防洪安全及桥梁梁底是否安全6，通过常用的两种方法分析南排河桥前壅水情况。（1）计算方法。通过建立的二维数学模型分析建桥前后的水位变化7-9，表明桥址处的壅水高度。采用D Aubuisson公式计算，该公式结构简单，易于计算10，如下：ZM=()V2M-V2式中：ZM为桥前最大壅水高度，m；为计算系数，根据阻断流量和设计流量的比值取0.15；V为天然河道断面平均流速，为0.75 m/s；VM为桥下平均流速，为0.80 m/s。（2）计算成果。根据计算两种方法成果较为相近，计算结果较为合理（表2）。南排河桥位于平原河道，水面比降较缓，为安全考虑，拟建桥梁最大壅水高度采用相对较大的数学模型成果即0.018 m11。拟建桥梁南排河桥计算方法数学模型成果D Aubuisson公式桥前最大壅水高度/m0.0180.012表1 建桥前后水位与流速成果表桩号0+0000+4960+7151+2191+3651+7222+7252+9413+0994+2294+3954+5124+610建桥前设计水位/m6.1126.0906.0746.0476.0456.0165.9625.9475.9235.8575.8475.8385.830建桥后设计水位/m6.1286.1066.0906.0636.0616.0335.9795.9655.9415.8575.8475.8385.830壅水高度/m0.0160.0160.0160.0160.0160.0170.0170.0170.0180.0000.0000.0000.000建桥前流速/（ms-1）0.720.720.710.740.720.740.750.790.800.790.790.750.79建桥后流速/（ms-1）0.720.710.680.740.700.720.740.780.790.790.790.740.79差值/（ms-1）0.00-0.01-0.020.00-0.02-0.01-0.01-0.01-0.010.000.000.00-0.01备注北王曼桥新G205国道桥王庄子桥新建南排河桥旧G205国道桥乳堤北桥图3 MIKE21与HEC-RAS模拟成果对比02 0004 0006 0008 000 10 000断面里程/m0.6流速/（ms-1）0.70.80.91.01.1MIKE21成果HEC-RAS成果（b）流量表2 壅水计算表75研究探讨STUDIES AND DISCUSSIONSCHINA FLOOD&DROUGHT MANAGEMENT中国防汛抗旱Oct.2023 NO.10 VOL.332023年10月 第10期 第33卷4.3 冲刷分析桥址跨河位置土层为黏性土，液性指数为 0.33，冲 刷 计 算 采 用公 路 工 程 水 文 勘 测 设 计 规 范（JTGC302015）中推荐的黏性土河槽一般冲刷和局部冲刷计算公式，由于河道冲刷深度影响桥梁结构安全，冲刷分析采用 100 年一遇计算冲刷深度，经计算，桥址处 100 年一遇洪水时南排河将漫堤行洪，设计流量取平堤流量，为 1 192 m3/s。冲刷深度计算见表3，计算得到一般冲刷深度为 0 m，局部冲刷深度为0.21 m。一般冲刷公式hp=AdQ2Bcj()hcmhcq5/30.331IL5参数桥下河槽部分通过的设计流量Q2/（m3s-1）河槽部分桥孔过水净宽Bcj/m河槽最大水深hcm/m桥下河槽平均水深hcq/m冲刷范围内黏性土样液性指数IL单宽流量集中系数Ad桥下一般冲刷后最大水深hp/m最大冲刷深度hp-hcm/m取值1 1922207.646.150.331.204.04-3.60局部冲刷公式hb=0.83KB0.61I1.25Lv参数一般冲刷后墩前行进流速v/（ms-1）墩形系数K冲刷范围内黏性土样液性指数IL桥墩计算宽度B1/m桥下一般冲刷后最大水深hp/m桥墩局部冲刷坑深度hb/m取值0.881.000.331.304.040.21表3 冲刷深度计算表4.4 行洪及河势影响分析根据洪水位成果，建桥后桥址处仅壅高0.018 m，故桥梁修建几乎不会降低河道行洪标准，不会明显加重两岸及上游的洪水灾情，对河道行洪的影响不大。根据模拟成果，桥墩位置局部发生绕流现象，桥墩断面流速较建桥前有所增加，由0.75 m/s增加至0.80 m/s，桥前及其余河段受建桥影响流速降低 0.010.02 m/s，已建桥梁附近河段受影响较大，但对河道总体河势影响较小。4.5 第三方影响分析（1）对两岸城区的影响分析。南排河桥两岸为黄骅市，桥梁建成后，桥前壅水高度为0.018 m，壅水较小，故桥梁的修建不会明显加重两岸建筑和居民的洪水灾情。（2）对上下游桥梁的影响。根据二维模型计算结果，受拟建桥梁影响，上游的北王曼桥水位增加0.016 m，平均流速 0.72 m/s 降低至 0.71 m/s；新 G205 国道桥，壅水高度为0.016 m，流速由0.72 m/s降低至0.70 m/s；王庄子桥，壅水高度为0.017 m，流速0.79 m/s降低至0.78 m/s。桥梁建设后，上游桥梁洪水位有所增加，周边流速有所减小，但壅高较低，且壅高后水位均不出槽，流速降低不明显，对其影响较小；下游桥梁无水位壅高，虽流速有所降低，但对其影响较小。4.6 桥梁自身安全影响分析（1）桥梁梁底高程分析。根据计算，桥址处10年一遇风浪高度为0.15 m，桥下净空取0.50 m，故计算允许梁底高程为6.95 m，南排河桥设计最低梁底高程为7.53 m，梁底基本不会受到洪水威胁。（2）竖向布置分析。桩基埋深将影响桥梁结构安全，按100年一遇洪水来临时产生冲刷控制。经计算，桥梁位置最大冲刷深度 0.21 m，桥梁桩基埋深 40 m，完全满足冲刷要求。5 结论（1）通过 MIKE21 建立二维水力模型，以南排河桥为例，对建桥前后水位及流速进行仿真，并通过HEC-RAS一维模型进行率定，由率定成果可知，两种模型计算模拟结果相互吻合较好，因此选定的糙率合适，建立的二维模型计算成果合理，模拟精度较为精确，可为城市桥梁防洪影响分析提供依据。（2）根据二维模型模拟成果和壅水分析成果，建桥后桥梁位置壅水高度为 0.018 m，上游水位壅高 0.0160.017 m，建桥后桥墩局部发生了绕流现象，桥墩处平均流速增加 0.05 m/s，其余河段受建桥影响平均流速降低0.010.02 m/s，对河道行洪、河势及第三方影响较小。（3）桥梁布置基本合理，桥梁梁底基本不会受到10年一遇洪水威胁，桩基埋深满足抗冲刷要求，工程自身安全。76研究探讨STUDIES AND DISCUSSIONS中国防汛抗旱CHINA FLOOD&DROUGHT MANAGEMENTOct.2023 NO.10 VOL.332023年10月 第10期 第33卷参考文献1 陈晓更，于得万.基于MIKE21半拉山大桥防洪影响分析J.吉林水利，2018（9）：43-46，50.2 米家杉，周勤，李艳.MIKE21在桥梁洪水影响分析中的应用J.中国水运（下半月），2019，19（9）：175-176.3 刘雪聪，耿鹏程，曹立，等.Mike21模拟跨河桥梁对河势的影响J.人民黄河，2020，42（S1）：24-25，29.4 刘顺萍，果有娜，丁志宏.MIKE 21 FM中的涉水建筑物不同概化方法效果分析J.海河水利，2018（6）：46-48.5 魏炜，谢军，刘芳.MIKE 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to calculate the backwater effect of thebridge,so as to analyze the impact of bridge construction on flood discharge,river regime,the third party and the safety of theproject.The results show that the established two-dimensional model is relatively accurate and the backwater results arereasonable,which can be used as the basis for flood impact analysis of bridge construction.The raising of water level inupstream of the bridge is 0.016 0.018 m after the bridge construction,the average velocity at the bridge pier increases by0.05 m/s,the elevation of the bridge beam bottom meets the requirements,and the engineering construction has little impact onthe river flood capacity,river situation and third party.Keywords:MIKE21 model;urban bridge;backwater;analysis of flood impact；Huanghua City of Cangzhou City of HebeiProvince责任编辑 马啸77