二維水流數(shù)學(xué)模型在碼頭工程防洪評價(jià)中的應(yīng)用

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(jìn)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(jì)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(jià)計(jì)算,并能夠得出較為可靠的計(jì)算結(jié)果。

二維水流數(shù)學(xué)模型作為一種先進(jìn)的工具,可為工程研究提供更豐富、更精確的信息,在港口、河道治理等領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用。本文采用二維水流數(shù)學(xué)模型分析了鷹潭信江特大橋興建后對工程河段行洪及流場的影響,為橋梁防洪影響評價(jià)提供了科學(xué)的決策依據(jù)。

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(diǎn),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(shí)測資料進(jìn)行求解和率定,通過分析和計(jì)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(jià)船舶修造項(xiàng)目的行洪影響提供依據(jù)。

依據(jù)《防洪法》等有關(guān)規(guī)定,對河道管理范圍內(nèi)的建設(shè)項(xiàng)目和位于河流影響范圍內(nèi)的重要建設(shè)項(xiàng)目應(yīng)進(jìn)行防洪影響評價(jià),重要的防洪工程應(yīng)運(yùn)用數(shù)學(xué)模型分析計(jì)算。選用數(shù)學(xué)模型時(shí),可根據(jù)實(shí)際情況,在滿足工程實(shí)際的需要條件下,適當(dāng)?shù)倪x用一維或二維數(shù)學(xué)模型。本文運(yùn)用二維數(shù)學(xué)模型對吉林油田新民采油廠擬在河道灘地內(nèi)新建油井工程進(jìn)行壅水計(jì)算,并采用經(jīng)驗(yàn)公式法進(jìn)行校核。結(jié)果表明:對于河道內(nèi)復(fù)雜地形及建筑物的防洪評價(jià)壅水計(jì)算,相比二維模型計(jì)算結(jié)果,經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果偏小,采用二維模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行防洪評價(jià),結(jié)論更安全、可靠。

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(jì)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(jì)算公式計(jì)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(yùn)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(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)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。

在研讀近年來眾多優(yōu)秀防洪影響評價(jià)報(bào)告的基礎(chǔ)上,通過仔細(xì)對比、研究,歸納二維非恒定流數(shù)學(xué)模型的應(yīng)用條件、方法和范圍:總結(jié)模型應(yīng)用的具體情況,包括參數(shù)率定、工程概化、結(jié)果統(tǒng)計(jì)與分析;最后,探討二維非恒定流數(shù)學(xué)模型在防洪評價(jià)實(shí)際應(yīng)用中的問題。為今后更好地進(jìn)行防洪影響評價(jià)提供良好的理論依據(jù)和實(shí)際解決方法。

本文介紹了二維非恒定流數(shù)學(xué)模型的控制方程、定解條件、邊界條件、模型剖分、模型調(diào)試、計(jì)算過程,以及二維非恒定流數(shù)學(xué)模型在鄭武鐵路防洪影響評價(jià)中的應(yīng)用實(shí)例等。

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(jì)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。

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(yùn)動進(jìn)行模擬計(jì)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(yùn)動,能在防洪影響評價(jià)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(shí)用價(jià)值。

應(yīng)用mike軟件對某碼頭工程進(jìn)行防洪評價(jià)計(jì)算,分析了不同水文條件下工程前后的水位、流場變化,評價(jià)其對防洪的影響,為工程建設(shè)提供了科學(xué)依據(jù)。

文章以跨遼河的某座大型橋梁為例,對5a一遇設(shè)計(jì)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(jìn)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(jì)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。

為研究河道橋梁阻水問題,運(yùn)用二維水流數(shù)學(xué)模型及其求解方法,建立了河道平面二維潮流數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行求解。經(jīng)對3座已建橋梁阻水的計(jì)算表明,模型計(jì)算精度經(jīng)驗(yàn)證能滿足應(yīng)用要求。最后,應(yīng)用該模型進(jìn)行了某擬建橋梁工程對河道的壅水、流場變化模擬計(jì)算,為橋梁阻水影響提供了較為準(zhǔn)確的評價(jià)。

以某砂石水運(yùn)碼頭工程防洪評價(jià)報(bào)告編制為例,對既沒有水位資料,又沒有設(shè)計(jì)流量的斷面,利用內(nèi)插值法推算出工程斷面的設(shè)計(jì)洪水位;對工程所在河段既沒有實(shí)測水文資料,也沒有實(shí)測橫斷面的資料,采用曼寧公式推算工程斷面處設(shè)計(jì)流量;選用陸浩公式作為碼頭工程雍水分析計(jì)算的公式;采用縱向穩(wěn)定系數(shù)、橫向穩(wěn)定系數(shù)、斷面寬深比三個(gè)指標(biāo)分析了河勢影響穩(wěn)定性。為類似工程防洪評價(jià)報(bào)告的編制工作提供參考。

文中將一維、二維模型的待求變量用邊界水位的線性方程表示,在一、二維模型連接斷面處,利用節(jié)點(diǎn)處流量守恒條件,實(shí)現(xiàn)一、二維模型的耦合。以大港獨(dú)流減河為例,采用該耦合模型分析了鉆井平臺對河道水流的影響,模擬結(jié)果表明該模型設(shè)計(jì)合理,具有一定可靠性和實(shí)用性,可用于防洪評價(jià)中工程建設(shè)項(xiàng)目對水流的影響分析。

以某砂石水運(yùn)碼頭工程防洪評價(jià)報(bào)告編制為例,對既沒有水位資料,又沒有設(shè)計(jì)流量的斷面,利用內(nèi)插值法推算出工程斷面的設(shè)計(jì)洪水位;對工程所在河段既沒有實(shí)測水文資料,也沒有實(shí)測橫斷面的資料,采用曼寧公式推算工程斷面處設(shè)計(jì)流量;選用陸浩公式作為碼頭工程雍水分析計(jì)算的公式;采用縱向穩(wěn)定系數(shù)、橫向穩(wěn)定系數(shù)、斷面寬深比三個(gè)指標(biāo)分析了河勢影響穩(wěn)定性。為類似工程防洪評價(jià)報(bào)告的編制工作提供參考。

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(yùn)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(yùn)動數(shù)學(xué)模型,并驗(yàn)證了其可靠性。采用該模型對岷江河段模擬計(jì)算,計(jì)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。

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(diǎn)和難點(diǎn)，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(shí)施提供技術(shù)支撐，同時(shí)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(jìn)行了模型驗(yàn)證,得到了較好的結(jié)果。

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(shí)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(shí)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。

依據(jù)國家計(jì)委、水利部《河道管理范圍內(nèi)建設(shè)項(xiàng)目管理的有關(guān)規(guī)定》(水政[1992]7號),對在河道管理范圍內(nèi)建設(shè)的碼頭工程,應(yīng)進(jìn)行防洪評價(jià)。根據(jù)2004年8月印發(fā)的《河道管理范圍內(nèi)建設(shè)項(xiàng)目防洪評價(jià)報(bào)告編制導(dǎo)則》(試行)內(nèi)容要求,進(jìn)行了擬建碼頭工程防洪影響分析,主要內(nèi)容包括河道演變分析、防洪評價(jià)計(jì)算和防洪綜合評價(jià)等。河演分析結(jié)果表明,工程河段多年來河勢穩(wěn)定,河道深槽位置及兩岸的江岸基本保持穩(wěn)定;碼頭工程附近江岸基本穩(wěn)定,工程水域河床沖淤幅度相對較小,具備開發(fā)利用的條件。平面二維數(shù)學(xué)模型計(jì)算結(jié)果表明,工程修建后對河道水位及流場的影響較小,碼頭工程的修建不會對其所在河段河勢及行洪產(chǎn)生明顯不利影響。

采用二維數(shù)學(xué)模型計(jì)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(jì)規(guī)范的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果比較,兩種計(jì)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(jì)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。