淺析Mike21二維模型在橋梁防洪評價中的應(yīng)用

張沖偉

(四川百源工程勘察設(shè)計有限公司，四川 成都 610000)

1 項目背景

岷江為長江上游左岸一級支流，是長江水量最大的支流，是四川中部一條重要河流。以發(fā)源地至都江堰魚嘴段為上游，都江堰至樂山市大渡河匯口處為中游，樂山至宜賓匯入長江處止為下游。岷江有東西二源：東源出自高程3727m的弓杠嶺，西源出自高程4610m的朗架嶺，兩源匯合于虹橋關(guān)上游川主寺后，自北向南流經(jīng)茂縣、汶川、都江堰市；穿過成都平原的新津、彭山、眉山；再經(jīng)青神、樂山、犍為，于宜賓市注入長江。岷江干流全長711km，流域面積13.59萬km2。

樂山市某岷江特大橋左岸位于四川省樂山市市中區(qū)牟子鎮(zhèn)菜利村，右岸位于四川省樂山市市中區(qū)通江鎮(zhèn)檀木嘴村，橋梁跨岷江而設(shè)。項目的建設(shè)溝通岷江兩岸，銜接樂峨大道與眉樂快速干道，共同構(gòu)成樂山中心城區(qū)東北部城市過境公路，對完善普通省道網(wǎng)、構(gòu)建四川綜合交通次樞紐、打造樂山市半小時經(jīng)濟(jì)圈，實現(xiàn)中心城區(qū)到周邊縣(市、區(qū))的快速通達(dá)、有效分離城鎮(zhèn)區(qū)間與過境交通具有十分重要的意義。由于橋梁的建設(shè)影響工程區(qū)岷江局部河段水位、流速、流態(tài)等，對橋區(qū)岷江河道行洪造成一定影響，根據(jù)《中華人民共和國水法》、《中華人民共和國防洪法》等有關(guān)規(guī)定，該橋梁須進(jìn)行防洪影響評價專題論證，為工程建設(shè)及項目審批提供依據(jù)。

目前經(jīng)驗公式、一維數(shù)學(xué)模型和二維數(shù)學(xué)模型是用于研究橋梁對河道防洪影響采用較多的方法，其中Mike21是較為成熟的二維數(shù)學(xué)模型之一。文章采用該模型模擬橋梁建設(shè)后橋區(qū)河道水位變化情況，評價橋梁建設(shè)對工程區(qū)河道防洪的影響。

2 Mike21模型

2.1 模型簡介

Mike21模型由丹麥水力學(xué)研究所開發(fā)，是一個專業(yè)的工程軟件包，可用于模擬河流、湖泊、河口、海灣、海岸及海洋的水流、波浪、泥沙及環(huán)境等。該軟件在國內(nèi)一些大型工程中得到應(yīng)用，如：南水北調(diào)工程、長江口綜合治理工程、重慶市城市排污評價、太湖富營養(yǎng)模型、臺灣桃園工業(yè)港興建工程等，均取得了良好的效果[1]。

2.2 模型構(gòu)建基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

1)地形數(shù)據(jù)：

地形數(shù)據(jù)主要是指計算范圍內(nèi)地形地貌，這些數(shù)據(jù)可以是 DEM，電子海圖，CAD圖等。

2)水文數(shù)據(jù)：

水文數(shù)據(jù)包括降雨數(shù)據(jù)、上下游邊界數(shù)據(jù)(流量，水位)。

3)糙率：

糙率是一個結(jié)果影響比較大的參數(shù)，如果沒有實測糙率，則需要根據(jù)歷史水文數(shù)據(jù)，對結(jié)果進(jìn)行率定，進(jìn)而確定糙率。

4)其它：

主要包括波浪、風(fēng)以及潮位等數(shù)據(jù)資料。

3 計算實例

3.1 工程結(jié)構(gòu)

樂山市某岷江特大橋工程全長1301m，橋梁結(jié)構(gòu)為：8m+6×25m+13×40m+(62+110+62)m+(101+180+101)m+7m。主橋為(101+180+101)m、(62+110+62)m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋，引橋為25、40m簡支梁；主跨下部結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土空心薄壁墩、承臺樁基礎(chǔ)，引橋下部結(jié)構(gòu)采用樁柱接蓋梁形式。橋臺均采用肋板式，承臺樁基礎(chǔ)。

3.2 水文條件

岷江干流中游段有國家設(shè)立的基本控制站點，一般觀測資料已達(dá)30-40a。此外，沿河尚有部分報汛的水位，雨量站點。雖然先后經(jīng)過調(diào)整撤銷部分站點，但仍具有一些實測資料，可以利用。岷江干流主要河道的歷史洪水調(diào)查資料，已經(jīng)全省統(tǒng)一匯編刊印。各站觀測是項目及起迄時間詳見表1。

該工程位于岷江干流上，橋址以上岷江集雨面積33785km2，與彭山水文站集雨面積(30661km2)最接近，彭山水文站資料齊全，可作為該工程水文計算依據(jù)站。

彭山水文站地處彭山縣鳳鳴鎮(zhèn)岷江路，地理坐標(biāo)為E103°53′，N30°12′。1938年9月由前四川省水利廳設(shè)立，1943年改為水位站，1951年3月恢復(fù)為水文站，1954年基本水尺下遷180m，改為彭山(二)站，因受堿渣堆積影響，1979年再下遷454m，2009年因城市改造又上遷了1000多m，改為彭山(三)站。測驗河段順直，控制條件較好，河床由砂卵石組成，有輕度沖淤變化，為典型的復(fù)式河槽，形成中水以下兩個河槽出水，中、高水灘地淹沒，左、右兩槽合流。彭山水文站為國家重要水文站，為中央報汛站和岷江中下游地區(qū)的防洪依據(jù)站，承擔(dān)著繁重的測報任務(wù)。

彭山水文站有1938-1942，1952-今的實測年最大流量資料。1943-1951年缺測流量，用實測年最高水位在歷年綜合水位流量關(guān)系曲線上插補(bǔ)年最大流量。經(jīng)插補(bǔ)后，該站已有1938-2018年連續(xù)洪水系列。根據(jù)彭山水文站實測年最大流量系列，加入歷史洪水，組成不連續(xù)洪水系列。用不連續(xù)系列公式計算洪水流量均值，采用P—Ⅲ型曲線，以經(jīng)驗適線法，求得彭山站設(shè)計洪水，成果見表2。

表2 彭山水文站最大洪峰流量計算成果表

該工程橋址處集雨面積與彭山站控制面積相差10.2%，<15%，故可將彭山水文站站的設(shè)計洪水成果采用面積比指數(shù)(按面積比的2/3次方)移用至本工程橋梁處，經(jīng)計算，該工程橋址岷江設(shè)計洪水見表3。

表3 本工程橋址岷江設(shè)計洪水成果表

3.3 防洪評價計算

3.3.1 模型計算范圍及地形

數(shù)學(xué)模型計算范圍應(yīng)能充分涵蓋工程可能影響的范圍及模型邊界穩(wěn)定所需的范圍。結(jié)合工程河道地形及工程研究內(nèi)容等因素，計算范圍選取為：本工程上游3.8km至下游2.9km共6.7km河段。計算網(wǎng)格主要采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，整個模擬河段共劃分網(wǎng)格單元18250個，工程河段二維數(shù)模網(wǎng)格見圖1，工程河段地形高程見圖2。

圖1 工程河段二維數(shù)模網(wǎng)格

圖2 工程河段地形高程

3.3.2 有關(guān)系數(shù)的選取

1)糙率系數(shù)：

河道糙率的選用，參考計算斷面上下游水文站實測資料分析，同時對照有關(guān)天然河道河床糙率表，以及近年來各有關(guān)單位的實驗研究的綜合成果，并結(jié)合計算河段的河床組成，岸坡光潔度，斷面形狀，河段水流流態(tài)流勢等綜合因素，并通過模型的率定和驗證來確定，本次河道糙率選用0.035-0.040。

2)動邊界處理

為保證模型計算的連續(xù)性，采用動邊界技術(shù)模擬不同流量下的網(wǎng)格干濕變化。本次給定hwet為10cm，hdry為0.5cm。

3)計算工況

模型采用橋梁設(shè)計和河道防洪兩個標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計算，評價起始斷面(橋位下游2.9km)300a一遇標(biāo)準(zhǔn)下流量為17900 m3/s，相應(yīng)水位為368.89m；20a一遇標(biāo)準(zhǔn)下流量為12400 m3/s，相應(yīng)水位為366.80m。

3.3.3 模擬結(jié)果分析

經(jīng)過模擬，本工程橋位處河道水位變化情況見圖3-圖4。

圖3 工程建設(shè)后300a一遇洪水水位變化圖

圖4 工程建設(shè)后20a一遇洪水水位變化圖

從二維數(shù)學(xué)模型計算結(jié)果可知，建橋后橋位上游產(chǎn)生壅水，橋位下游產(chǎn)生跌水。300a一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)時，橋前最大壅水高度為8cm，最大跌水高度為11 cm；20a一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)時，橋前最大壅水高度為5cm，最大跌水高度為8cm。Mike21計算得到的橋前最大壅水值與采用經(jīng)驗公式[2]計算得到的橋前最大壅水值(300a一遇壅水6.8 cm，20a一遇壅水4.1cm)接近，說明了Mike21在橋墩壅水計算中的適應(yīng)性較好，計算結(jié)果較為合理。

4 結(jié) 語

以樂山市某岷江特大橋為例，采用Mike21二維模型對建橋前后水位變化情況進(jìn)行模擬分析，其結(jié)果與經(jīng)驗公式計算結(jié)果基本一致，說明該模型能很好地滿足防洪評價要求。該橋梁建設(shè)造成的水位壅高值較小，對橋區(qū)岷江河道行洪影響較小。

Mike21二維模型具有研究費用低、運行速度快、周期短、可考慮較多因素的相互影響、對結(jié)果進(jìn)行可視化展示等優(yōu)點。隨著水動力學(xué)理論及計算機(jī)技術(shù)的不斷完善，水動力模型技術(shù)將朝著高效、高精度、可視化等方向迅猛發(fā)展。