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基于二维水动力学模型的堤防工程河段防洪影响评估 摘要：防洪影响处理工程专项设计效果评估通常以定性分析为主。为准确评估防洪措施效果,进一步验证措施合理性,本文基于MIKE21软件建立商合杭铁路水阳江大桥河段二维水动力学模型,研究工程实施前后河段水动力学特性变化情况,为优化设计提供依据。研究结果表明,采取一定的工程措施可有效改善筑桥河段水流条件,降低桥梁建设对河道行洪影响。 1 前言商合杭铁路对构建华东第二客运通道，发挥长三角地区辐射和带动作用，带动地方经济发展等具有重要意义。工程建设将对宣城市城东联圩、双桥联圩堤防等水利工程设施安全产生一定影响。水阳江大桥桥址河段河道弯折，水下地形复杂，本文基于MIKE21软件建立商合杭铁路水阳江大桥河段二维水动力学模型，研究工程实施前后河段水动力学特性变化，为优化设计提供依据。MIKE21是丹麦水力研究所研发的以水动力研究为基础的平面二维浅水模型，经过几十年的改进和发展，已在河道治理、涉河工程建设项目数值模拟领域取得很好的应用效果。2 研究区概况水阳江大桥于DK589+647.6～DK589+774.4处跨越水阳江，水阳江河道与铁路线大里程夹角为74°，桥梁全长2804m，宽度12.6m，梁底标高最低为23.64m（河滩地位置），主河槽内梁底标高最低为34.08m，其中137#～147#桥墩位于左主河道行洪断面内。为降低桥梁建设对河道行洪影响，处理工程拟进行行洪断面补偿、堤防护坡、河道护岸、桥墩局部防护等。其中行洪断面补偿方式为桥梁上下游各100m切滩处理，切滩底宽取50m，边坡坡比1∶4，上下游断面按照逐渐缩短底宽渐变，边坡坡比仍为1∶4。切滩补偿总长度为桥梁上游500m～下游300m。同时为优化土方平衡，并平顺河道水流，设计将断面补偿开挖土方用于下游左岸滩地深潭回填。3 模型建立本次水流模拟基于不可压流三维雷诺Navier-Stokes平均方程沿水深积分的连续方程和动量方程，采用笛卡尔坐标系，具体方程式略。3.1 计算范围二维模型计算范围为水阳江大桥跨河段河道，根据类似河道研究经验，桥梁实施后的影响范围一般在上、下游0.5～1.0km范围内，因此二维地形采用实测水阳江河道平面带状图及横断面资料，模型范围河道全长1.8km，包含了整个工程处理范围。3.2 网格剖分模拟范围内河道面积约0.85km3.3 边界条件沿模型计算区域的闭边界（陆地边界）各变量的法向流动均被设置为零。二维模型上游进口开边界为流量控制，下游出口开边界为水位控制。对于河道滩地部分，由于计算区域中存在随水位起落而变化的动边界，为保证模型计算的连续性，采用“干湿处理技术”：当计算区域水深小于0.005m时，该计算区域的节点不参加计算，直至被重新淹没为止；当水深大于0.1m时，该计算区域的节点重新参加水流正常计算。3.4 时间步长利用有限体积法计算三角网格的水流模拟时，采用30s作为最大时间步长，0.01s作为最小时间步长。3.5 模型验证及糙率率定一般情况下，在数值模拟计算中应对水位、流速以及流量等进行验证。由于桥址河段缺乏实测水文资料，本次计算的模型参数主要以水行政主管部门批复的桥址水位成果作为验证标准。本次计算根据50年一遇设计洪水标准下流量和相应假设的下游水位值来试算，通过控制试算桥址处水位值与批复值的误差精度从而试算出相应的下游控制水位值（表1）。在此基础上，同时分别建立了影响处理工程前、后二维动力学模型（图1）。4 计算方案及结果分析本次拟定了现状河道、建桥后以及处理工程实施后三组方案。根据模拟计算成果，桥址上游水位详见表2。由结果可知，防洪影响处理工程实施后，由于切滩补偿加大了行洪断面，桥址上游水位较建桥后有所降低，且越靠近桥址水位降低越明显，最大降幅约3cm。现状河道、建桥后以及处理工程实施后桥址附近流速情况详见图2。总的来讲，相对于现状河道，由于桥梁桥墩的阻水作用使得桥墩上、下游掩护区内流速有所减小，桥孔之间流速增大，其中桥孔间流速增加幅度在0～0.6m/s，越靠近桥墩流速变化越明显；防洪影响处理工程实施后，主河槽流速降低，最大降幅约0.2m/s，但桥墩附近流速仍未明显改变。因此为减小流速变化对河床和堤防的冲刷影响，同时保护桥墩安全，对桥墩进行局部防护、对桥址附近堤防进行护砌是必要的。现状河道、建桥后以及处理工程实施后桥址附近水流流态情况详见图3。经断面补偿、左岸深坑回填后，主流向右侧偏移，左岸滩地的水流回旋长度增加，主要表现为建桥前左岸滩地回旋均位于桥梁下游，防洪影响处理后，（下转第44页）岸回旋至桥梁上游，左岸堤防通过岸坡防护，预防了回流对堤防边坡的冲刷，同时缓解了河道向左岸演变对基本农田的侵占。5 结语(1）