二維水流數(shù)學(xué)模型在河道橋梁阻水計算中的應(yīng)用

數(shù)學(xué)模型是防洪評價的一種重要技術(shù)手段。介紹了二維水流數(shù)學(xué)模型的基本原理以及二維水流數(shù)學(xué)模型在廣西梧州市塘源綜合碼頭防洪評價中的應(yīng)用實例。結(jié)果表明:碼頭建成后,工程區(qū)上游約1.7km至工程區(qū)下游約1.1km范圍內(nèi)流場發(fā)生了變化,但變化幅度較小,在各頻率洪水條件下,流速最大增加值與減小值均不超過0.1m/s,且分布在工程所在位置附近,說明工程對所在河道總體河勢穩(wěn)定影響不大。

根據(jù)江蘇灌河(鹽城與連云港兩市交界河)天然潮汐河道特點,結(jié)合船舶修造行業(yè)舾裝碼頭建設(shè)要求,采用平面二維水流數(shù)學(xué)模型,對擬建碼頭處的潮位、流速、潮形等水力因素,利用上下游實測資料進行求解和率定,通過分析和計算,能夠更加準(zhǔn)確地反映碼頭等涉水構(gòu)筑物產(chǎn)生的壅水影響及潮流場變化情況,為科學(xué)合理地評價船舶修造項目的行洪影響提供依據(jù)。

本文結(jié)合北江下游具體河段,針對河段彎曲及河道分汊的特性,考慮岸灘崩塌展寬進行邊界處理,建立了二維平原型彎曲河道水沙數(shù)學(xué)模型,正確地計算模擬了河段中大江心洲和丁壩的繞流阻水現(xiàn)象,準(zhǔn)確地處理了灘地漫水、魚塘及挖沙坑蓄水及其對河道演化趨勢的影響,為河道的科學(xué)治理提供了依據(jù)。在計算方法上,本文采用了二維有限元的方法,可進行網(wǎng)格自動剖分和局部加密計算模擬。

在山區(qū)河流上修建涉水工程需考慮其對河道水流特性的影響,而山區(qū)河流水流運動的復(fù)雜性使此研究變得較為困難。該文建立了基于非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的平面二維水流運動數(shù)學(xué)模型,并驗證了其可靠性。采用該模型對岷江河段模擬計算,計算結(jié)果表明河段上擬建大橋的存在對河段水流特性無明顯影響。

采用二維數(shù)學(xué)模型計算并分析了某擬建橋梁和某電廠取水建筑物興建前后對河道水位及河勢的影響情況,與采用橋渡設(shè)計規(guī)范的經(jīng)驗公式計算結(jié)果比較,兩種計算結(jié)果比較接近,表明二維數(shù)學(xué)模型能較準(zhǔn)確地計算涉河工程興建引起的工程局部水位及流場變化情況,且能生動地表現(xiàn)其平面形態(tài)。該技術(shù)已成為當(dāng)前研究涉水工程防洪影響情況最常用的一種技術(shù)手段和方法。

針對單純使用一維或二維數(shù)學(xué)模型難以準(zhǔn)確高效模擬大型涉水工程對水域影響的問題,通過利用一、二維聯(lián)解潮流數(shù)學(xué)模型,在珠江口某港區(qū)碼頭工程附近使用二維模型,對該區(qū)域流場和流速變化范圍進行模擬,其余水域采用一維模型模擬。結(jié)果表明,工程對珠江東四口門及工程周邊水域水位、流速、河道潮量及分流比、潮排、潮灌、排澇等影響不大。結(jié)論認(rèn)為,一、二維數(shù)學(xué)模型聯(lián)解計算可以用于大型工程,尤其是海域內(nèi)大型工程的防洪評價計算,并能夠得出較為可靠的計算結(jié)果。

文章以跨遼河的某座大型橋梁為例,對5a一遇設(shè)計洪水條件下的河道流場分布特征和水位變化情況,利用平面二維數(shù)學(xué)模型進行了模擬分析,并對比分析了流場變化和雍水。研究表明:在5a一遇設(shè)計洪水條件下的橋墩附近,跨遼河的某座大型橋梁的橋墩出存在一定的流場變化和雍水,工程建設(shè)可對遼河產(chǎn)生局部的影響作用。

為分析橋梁工程的修建對原河道水文情勢的影響,以小龍門大橋工程為例,采用平面二維數(shù)學(xué)模型,模擬了5a一遇設(shè)計洪水條件下工程修建前后河道內(nèi)水位和流場分布特征的變化。結(jié)果表明,橋梁工程修建后在橋墩附近產(chǎn)生了一定的壅水與流場變化,有局部性的影響。

規(guī)劃中的四川江安長江第二過江公路橋采用鉆石形串排圓柱型主塔，為了研究其主塔橋墩對該橋區(qū)河段各通航水力要素的影響程度，通過建立平面二維水流數(shù)學(xué)模型，模擬該河段方案實施前后的水流流場，從工程應(yīng)用的角度分析串列圓柱橋墩對河段水流條件的影響。分析數(shù)模仿真結(jié)果得知：在各級流量下橋區(qū)河段水位、流速在工程實施前后變化較小，橋軸線橫向流速較小，橋梁的建設(shè)對通航水流條件影響較小，不會對船舶安全通過橋區(qū)產(chǎn)生影響。

東溪流經(jīng)同安區(qū)城鎮(zhèn)區(qū)域段整治面臨選擇分洪。該文針對較大規(guī)模分洪箱涵分流入口和出口水文水力條件復(fù)雜問題,采用平面二維數(shù)學(xué)模型研究不同分流比時需要分洪箱涵規(guī)模及河道流態(tài)變化情況,通過水利計算成果分析進行綜合比選,確定所需方案。

利用一、二維數(shù)學(xué)模型來研究某大橋的建設(shè)對富春江水域的影響,一維動床數(shù)學(xué)模型為二維定床模型提供下邊界。結(jié)果表明,該方法能在計算中考慮閘口以下錢塘江水域洪水期間的河床變化,同時有效節(jié)省計算時間。利用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的平面二維定床數(shù)學(xué)模型,能較準(zhǔn)確模擬橋墩形狀以及兩岸岸線情況,橋梁工程的建設(shè)對富春江水域的影響主要發(fā)生在橋位附近,橋墩上游局部雍水,橋墩之間流速增大,建橋引起的河床沖淤變化基本在橋墩附近,離橋位越遠(yuǎn)影響越小。

建立了基于有限體積法的平面二維非恒定流數(shù)學(xué)模型,采用黎曼近似解通量差分裂(fds)格式計算通過各單元邊的水流法向數(shù)值通量,并應(yīng)用相關(guān)的懸移質(zhì)、推移質(zhì)河床變形計算公式計算沖淤變化。模型應(yīng)用于浙江省49省道溫溪至鶴城段改建工程河道水流狀況的模擬,結(jié)果表明工程修建后工程段的中間部位以上以及外側(cè)附近水位略有壅高,最大壅高值0.03m;工程區(qū)附近流速減緩、靠近河道中央流速略微增大,最大增幅約0.12m/s,河道沖淤幅度在0.3m以內(nèi)。

采用河道平面二維水流數(shù)學(xué)模型,對襄樊河段水流運動以及襄樊電廠二期工程大件碼頭和取水口工程對防洪的影響進行了數(shù)值模擬計算。結(jié)果表明:工程修建后上游河段最大壅水高度約0.02m,最大壅水長度約為630m,水流流態(tài)及水流流速分布無明顯變化,對防洪影響不大。

壅水計算是橋梁防洪評價報告中的關(guān)鍵內(nèi)容,目前多采用經(jīng)驗法,計算結(jié)果的合理性難以判定。文章結(jié)合寶賢中橋?qū)嵗?采用mike21fm二維水流計算模型對橋梁涉河河段進行數(shù)值模擬,并通過一維水面曲線結(jié)算結(jié)果對模型進行率定分析。結(jié)果表明,mike21fm二維水流計算模型的模擬精度能夠滿足對該河段洪水分析計算的要求。

經(jīng)典型年洪水驗證二維數(shù)學(xué)模型應(yīng)用于廢黃河下段流域設(shè)計洪水計算是合理可行的,可提高計算成果的精度。用該模型計算了33種不同遭遇組合設(shè)計洪水,計算成果已在江蘇省鹽城市廢黃河防洪預(yù)案中得到應(yīng)用。

本文以橫沙東灘促淤圈圍（四期）工程為例，采用平面二維水流數(shù)學(xué)模型，根據(jù)工程的總平面布置，結(jié)合工程的特點和難點，分析不同施工順序下各堤段水動力條件的變化情況，從而制定出對各堤段及周邊水域影響最小的工程施工順序，為工程的順利實施提供技術(shù)支撐，同時也為類似中低灘促淤工程提供參考。

采用平面二維非恒定全沙數(shù)學(xué)模型,結(jié)合滹沱河倒虹吸工程附近河道進行了模型驗證,得到了較好的結(jié)果。

通過建立的基于有限體積法的平面二維非恒定流數(shù)學(xué)模型,對馬家咀航道整治一期工程建設(shè)前后的河道水流運動進行模擬計算。結(jié)果表明:工程建設(shè)前后工程河段水位變化較小,工程附近河段水流流態(tài)及水流流速分布無明顯變化。研究建立的二維水流數(shù)學(xué)模型可準(zhǔn)確模擬工程河段水流運動,能在防洪影響評價中對工程前后河道水流、水位變化變提供較為可靠的依據(jù),具有實用價值。

海潮對河口河道水位等影響范圍和影響強度關(guān)系到河口地區(qū)經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展,這些問題又直接與河口治理規(guī)劃,河口地區(qū)防洪密切相關(guān),海潮對河口河道影響具有重要意義。以二維水動力有限元數(shù)學(xué)模型為手段,選取黃河河口萊州灣清水溝入海流路為研究對象,在入海河道上足夠多的典型位置處的水位和流速為對象,通過對沿程水位和流速的變化分析研究得到3000m3/s流量下海潮對河口的影響范圍在距離口門約5～10km的范圍內(nèi),計算分析結(jié)果與實測資料分析結(jié)果基本一致。

針對長江中游宜昌至枝城河段卵石夾沙河床級配分布寬等特點,建立了非均勻懸沙、底沙二維數(shù)學(xué)模型,尤其是考慮了底沙的不平衡輸移及沖淤過程中床沙的級配調(diào)整問題,對計算中的關(guān)鍵問題提出了處理方法,利用水文、泥沙及河床變形資料對模型進行了水面線、流速分布及沖淤過程的詳細(xì)驗證,尤其是進行了葛洲壩水利樞紐運用后、1998年洪水前后及三峽工程運用后的驗證。在此基礎(chǔ)上,根據(jù)設(shè)計單位一維數(shù)模提供的水沙邊界條件,預(yù)測了三峽工程蓄水初期該河段的沖刷量、分布及床沙粗化過程。

使用σ坐標(biāo)變換技術(shù),用連續(xù)方程求解水位,動量方程求解流速,在水平方向上使用adi方法,σ向間距遞減分層,建立三維水流數(shù)學(xué)模型。用研究區(qū)段實測流速及水位進行驗證,表明模型具有良好的質(zhì)量守恒性質(zhì)。以驗證后的模型模擬截流時戧堤口門寬度分別為50m和35m時戧堤上下游水位變化、軸線斷面流速分布及軸線附近流速的變化規(guī)律。結(jié)果表明,三維水流計算結(jié)果與物理模型的實測結(jié)果基本一致,為電站截流的水流數(shù)學(xué)模型提供了一種新的研究思路。

文章介紹了hec-ras模型基本原理和使用方法,并將其應(yīng)用于橋梁阻水壅高計算中,取得了較好的效果。