二維數(shù)學(xué)模型分析阿什河珍珠島圍堤工程對(duì)防洪的影響

碼頭建設(shè)會(huì)對(duì)河道行洪、堤防及其他防洪工程的安全造成不利影響.防洪影響分析是碼頭工程設(shè)計(jì)中一項(xiàng)重要技術(shù)工作.采用平面二維潮流數(shù)學(xué)模型,對(duì)長(zhǎng)江鎮(zhèn)揚(yáng)河段水流運(yùn)動(dòng)以及擬建碼頭工程對(duì)防洪的影響進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算.結(jié)果表明,在防洪設(shè)計(jì)洪水、平灘水位流量和多年平均流量3種水流條件下,工程興建后水位壅高最大值約1.2cm,水位降低最大值約1.5cm,流速最大增幅約0.05m/s,最大減幅約0.23m/s.碼頭興建后對(duì)工程河段的水位和流場(chǎng)影響較小,不會(huì)對(duì)河段的行洪帶來不利影響.

文章以跨遼河的某座大型橋梁為例,對(duì)5a一遇設(shè)計(jì)洪水條件下的河道流場(chǎng)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(duì)比分析了流場(chǎng)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(chǎng)變化和雍水,工程建設(shè)可對(duì)遼河產(chǎn)生局部的影響作用。

依據(jù)《防洪法》等有關(guān)規(guī)定,對(duì)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(píng)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(duì)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(duì)于河道內(nèi)復(fù)雜地形及建筑物的防洪評(píng)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(píng)價(jià),結(jié)論更安全、可靠。

針對(duì)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(duì)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(duì)該區(qū)域流場(chǎng)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(duì)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(píng)價(jià)計(jì)算,并能夠得出較為可靠的計(jì)算結(jié)果。

在研讀近年來眾多優(yōu)秀防洪影響評(píng)價(jià)報(bào)告的基礎(chǔ)上,通過仔細(xì)對(duì)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(píng)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(píng)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(píng)價(jià)中的應(yīng)用實(shí)例等。

數(shù)學(xué)模型是防洪評(píng)價(jià)的一個(gè)重要技術(shù)手段。介紹了廣州水道某碼頭工程局部水域平面二維水沙數(shù)學(xué)模型的建立和驗(yàn)證及實(shí)際應(yīng)用效果,結(jié)果表明,模型能較好地模擬工程附近水流泥沙運(yùn)動(dòng)以及河床沖淤變化規(guī)律,為預(yù)測(cè)分析工程建設(shè)對(duì)河道河床沖淤演變影響以及量化分析提供了一種手段和途徑。

數(shù)學(xué)模型是防洪評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)中的應(yīng)用實(shí)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(chǎng)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(duì)所在河道總體河勢(shì)穩(wěn)定影響不大。

為分析橋梁工程的修建對(duì)原河道水文情勢(shì)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(chǎng)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(chǎng)變化,有局部性的影響。

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(duì)工程河段行洪及流場(chǎng)的影響,為橋梁防洪影響評(píng)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(duì)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(cè)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(chǎng)變化情況,為科學(xué)合理地評(píng)價(jià)船舶修造項(xiàng)目的行洪影響提供依據(jù)。

規(guī)劃中的四川江安長(zhǎng)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(duì)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(chǎng)，從工程應(yīng)用的角度分析串列圓柱橋墩對(duì)河段水流條件的影響。分析數(shù)模仿真結(jié)果得知：在各級(jí)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(duì)通航水流條件影響較小，不會(huì)對(duì)船舶安全通過橋區(qū)產(chǎn)生影響。

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(duì)河道水位及河勢(shì)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(chǎng)變化情況,且能生動(dòng)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。

采用河道平面二維水流數(shù)學(xué)模型,對(duì)襄樊河段水流運(yùn)動(dòng)以及襄樊電廠二期工程大件碼頭和取水口工程對(duì)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(zhǎng)度約為630m,水流流態(tài)及水流流速分布無明顯變化,對(duì)防洪影響不大。

采用無結(jié)構(gòu)不規(guī)則網(wǎng)格技術(shù)對(duì)滯洪區(qū)地形進(jìn)行自動(dòng)剖分,根據(jù)三維流體動(dòng)力學(xué)方程建立了適合滯洪區(qū)計(jì)算的一、二維洪水模擬模型,將地形條件概括為地面型通道、河道通道、特殊型通道和連續(xù)堤或缺口堤4種通道對(duì)方程進(jìn)行了離散,利用天津市大清河滯洪區(qū)的實(shí)測(cè)資料對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證,結(jié)果吻合較好,并模擬了百年一遇洪水在本滯洪區(qū)的演進(jìn)情況.為防洪減災(zāi)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供了可靠的依據(jù).

基于rss河流數(shù)值模擬系統(tǒng),探討了平面二維水沙數(shù)學(xué)模型在涉水工程防洪影響計(jì)算中的應(yīng)用,并以漢江蔡家灣特大橋?yàn)槔?進(jìn)行該工程的防洪影響計(jì)算,探討了不同涉水工程的概化方法。結(jié)果表明:采用基于非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的平面二維水沙數(shù)學(xué)模型,可較為準(zhǔn)確地捕捉到涉水工程實(shí)施前后河道水力要素變化及河道沖淤變化情況;在所選的計(jì)算條件下,擬建工程的實(shí)施對(duì)工程河段的防洪及河勢(shì)影響不大。

橋梁阻水壅高值計(jì)算是防洪影響評(píng)價(jià)的重要組成部分.研究一般的橋梁壅水問題,規(guī)范推薦采用經(jīng)驗(yàn)公式法進(jìn)行計(jì)算;對(duì)于河道水力條件比較復(fù)雜的情況,宜采用數(shù)學(xué)模型計(jì)算或進(jìn)行物理模型試驗(yàn).相比物理模型,數(shù)學(xué)模型具有投資小、周期短的特點(diǎn).以阿什河干流道外香坊段河道整治工程為例,運(yùn)用hec-ras軟件進(jìn)行數(shù)值模擬研究,分析了橋墩擴(kuò)孔對(duì)河道流域的防洪影響.

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。

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(duì)馬家咀航道整治一期工程建設(shè)前后的河道水流運(yùn)動(dòng)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(dòng),能在防洪影響評(píng)價(jià)中對(duì)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。

針對(duì)長(zhǎng)江中游宜昌至枝城河段卵石夾沙河床級(jí)配分布寬等特點(diǎn),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(jí)配調(diào)整問題,對(duì)計(jì)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(duì)模型進(jìn)行了水面線、流速分布及沖淤過程的詳細(xì)驗(yàn)證,尤其是進(jìn)行了葛洲壩水利樞紐運(yùn)用后、1998年洪水前后及三峽工程運(yùn)用后的驗(yàn)證。在此基礎(chǔ)上,根據(jù)設(shè)計(jì)單位一維數(shù)模提供的水沙邊界條件,預(yù)測(cè)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。

圍堤工程設(shè)計(jì)除了滿足工程安全和工程質(zhì)量的要求外,還應(yīng)便于施工,同時(shí)也應(yīng)為投資方節(jié)約成本。太過于理論化的設(shè)計(jì)會(huì)給施工帶來很大困難,因此設(shè)計(jì)要根據(jù)地質(zhì)地貌條件適當(dāng)優(yōu)化。結(jié)合長(zhǎng)江中下游大型圍堤工程,從原材料的選擇、設(shè)計(jì)斷面尺寸的優(yōu)化、檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)際操作性等多方面,就圍提設(shè)計(jì)與施工進(jìn)行探討并提出建議。

通過對(duì)北盤江石板寨河段實(shí)際情況的勘察,結(jié)合歷史流量和輸沙率資料,采用準(zhǔn)二維泥沙數(shù)學(xué)模型對(duì)石板寨水庫有堰和無堰兩種設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了計(jì)算比較.最后給出了無堰方案更有利于確保電站及水庫的安全運(yùn)行的結(jié)論.