橋梁群壅水分析計(jì)算方法在防洪評價(jià)中的應(yīng)用
——茅洲河新建跨河橋?yàn)槔?/h1>
2022-09-02 03:45:26賴宇寧深圳市水務(wù)規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司
珠江水運(yùn) 2022年15期
◎賴宇寧 深圳市水務(wù)規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司
現(xiàn)有的研究及常用的經(jīng)驗(yàn)公式大多是針對單一橋梁的，對于同一河段上修建兩座及多座橋梁引起的水位壅高聯(lián)合影響研究的并不多。
本次以深圳市茅洲河新建跨河橋?yàn)槔?，針對新建橋梁上游有兩座現(xiàn)狀橋梁組合而成的橋梁群壅水計(jì)算，通過常用的經(jīng)驗(yàn)公式和MIKE一維模型分別計(jì)算及對比，初步得出在實(shí)際工作中橋梁群壅水計(jì)算方式和計(jì)算過程中的一些啟發(fā)。
1.案例簡介
本次案例涉及深圳市茅洲河，擬新建一座跨河橋梁（以下簡稱橋梁A），采用三跨過河的方式跨越茅洲河。同時(shí)，橋梁A上游1km范圍內(nèi)有兩座現(xiàn)狀橋梁B和C，且現(xiàn)狀橋梁均在河道行洪斷面內(nèi)設(shè)有橋墩。由于橋梁A建設(shè)方案涉及河道管理范圍，需對其進(jìn)行防洪評估分析。在防洪評價(jià)水文計(jì)算章節(jié)，應(yīng)重點(diǎn)對橋梁A建設(shè)前后對河道行洪影響進(jìn)行分析計(jì)算。本次案例的特點(diǎn)是，橋梁壅水計(jì)算應(yīng)將現(xiàn)狀橋梁一并考慮，進(jìn)行橋梁群的壅水疊加影響分析。
2.河道概況
茅洲河干流流經(jīng)深圳市與東莞市的接壤處，該河道天然水系發(fā)源于石巖水庫上游——羊臺(tái)山，流經(jīng)石巖、光明、公明、長安（屬東莞市）、沙井等街道轄區(qū)，流域總面積為343.52km，其中深圳境內(nèi)面積266.14km，石巖水庫壩下至珠江口，干流全長31.29km，河床平均比降0.71‰。
橋梁A所涉河段河底寬約40m，上口約寬75m，為梯形復(fù)式斷面，河底高程約4.4m，左岸堤頂高程約為12.39m，右岸堤頂高程約為11.78m，百年一遇洪水位10.06m。目前該河段綜合整治工程已建設(shè)完成。
圖1 茅洲河流域水系圖
3.設(shè)計(jì)方案
橋梁A采用三跨過河，分兩幅，全長85m，跨徑布置為25+25+25m，橋梁寬48m。河道管理范圍內(nèi)有四排樁，其中兩排樁位于河道行洪斷面內(nèi)，每排樁有八個(gè)橋墩。
4.防治補(bǔ)救措施
對橋臺(tái)臨水側(cè)岸坡進(jìn)行拓寬改造，橋墩占用河道過流斷面15.72m，補(bǔ)償過流斷面40.74m，拓寬范圍為橋梁上下游50米范圍，河底鋪砌漿砌石片以減少?zèng)_刷。
5.項(xiàng)目上下游現(xiàn)有工程情況
現(xiàn)狀橋梁B位于橋梁A上游約128m，4跨過河，單跨寬16m，總跨64m，橋?qū)?m，頂板高程10.77m。
現(xiàn)狀橋梁C位于橋梁A上游約574m，4跨過河，單跨寬16m，總跨64m，橋?qū)?.2m，頂板高程11.55m。
6.項(xiàng)目建設(shè)對河道行洪影響
6.1 計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)
橋梁A工程未改變片區(qū)匯水，因此本次計(jì)算直接引用《河道綜合整治工程初步設(shè)計(jì)》中的洪水計(jì)算成果，防洪標(biāo)準(zhǔn)采用100年一遇，設(shè)計(jì)洪水成果見表1。
表1 A橋斷面設(shè)計(jì)洪水成果表
6.2 壅水分析
根據(jù)跨河橋梁工程特性，本次采用經(jīng)驗(yàn)公式法及MIKE11建模方法，計(jì)算橋梁A運(yùn)行期在設(shè)計(jì)洪水條件下的壅水高度和壅水距離。
6.2.1 計(jì)算方法
（1）經(jīng)驗(yàn)公式法。
1）橋前壅水。
橋前最大壅水高度可采用以下公式計(jì)算：
式中：
ΔZ－橋前最大壅水高度（m）；
Q－天然狀態(tài)下橋下通過的設(shè)計(jì)流量（m/s）；
ω－橋下過水面積（m）；
V－橋下平均流速（m/s），
Q－設(shè)計(jì)流量（m/s）；
ω－橋下凈過水面積（m）；
圖2 橋梁平面圖
圖3 橋梁與河道立面關(guān)系圖
K－考慮沖刷引入的流速折減系數(shù)，反應(yīng)橋下流速隨河床沖刷斷面增大而減小的系數(shù)；K=1。
2）壅水曲線長度。
根據(jù)水力學(xué)明渠恒定流水面曲線長度的分段求和法計(jì)算，計(jì)算公式為：
式中：
L——壅水曲線長度；
I——水面比降；
其余符號(hào)意義同前。
（2）MIKE11一維模型。
圖4 建橋前水面線結(jié)果
圖5 建橋后水面線結(jié)果
表4 A橋橋位處壅水計(jì)算成果表
本次計(jì)算采用丹麥丹華水利環(huán)境技術(shù)有限公司（DHI）的MIKE11軟件，通過水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型推求不同流量下的水面線。
MIKE 11 HD是一維水動(dòng)力模型，主要用于洪水預(yù)報(bào)及調(diào)度措施，河渠、灌溉系統(tǒng)的設(shè)計(jì)調(diào)度及河口的風(fēng)暴潮的研究。該模型是基于圣維南方程組，方程組用6點(diǎn)Abbott隱式有限差分法離散，用追趕法求解。計(jì)算網(wǎng)格采用交叉網(wǎng)格方式（交替水位點(diǎn)和流量點(diǎn)）。
6.2.2 計(jì)算結(jié)果
本次計(jì)算僅考慮運(yùn)行期工況（不考慮河道拓寬補(bǔ)償措施），計(jì)算結(jié)果見表2、表3。
表2 A橋橋位處壅水計(jì)算成果表（經(jīng)驗(yàn)公式法）
表3 A橋橋位處壅水計(jì)算成果表（MIKE11模型計(jì)算）
本次一維建模將橋梁A、B和C一并考慮，為保障模型穩(wěn)定運(yùn)行，將橋梁采用箱涵疊加過水堰的形式進(jìn)行概化。
根據(jù)計(jì)算結(jié)果，取最不利情況，當(dāng)河道過洪峰流量526m/s時(shí)，A橋上游河道水位由建橋前的10.06m壅高至10.133m。同時(shí)，經(jīng)MIKE模擬補(bǔ)償措施實(shí)施后，壅水情況得以改善，對河道行洪幾乎不會(huì)產(chǎn)生不利影響。
6.3 分析對比
在本次案例中，常用的壅水計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式未體現(xiàn)橋梁群的壅水疊加因素，其計(jì)算結(jié)果僅作為一個(gè)參考，MIKE模擬計(jì)算結(jié)果相比于經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果更為合理。
7.結(jié)論與建議
本次案例通過常用的經(jīng)驗(yàn)公式及MIKE一維模型等方式對新建橋梁壅水情況進(jìn)行計(jì)算分析和對比，由于新建橋梁上游有兩座現(xiàn)狀橋梁，三橋疊加產(chǎn)生的壅水影響是防洪評價(jià)計(jì)算中應(yīng)該考慮的重要問題。
從上述分析對比可以看出，在涉及橋梁群的壅水計(jì)算中，MIKE模型模擬方式有一定的優(yōu)勢。鑒于MIKE一維模型穩(wěn)定性等方面的考慮，本次案例經(jīng)過多次多種方式調(diào)試模型發(fā)現(xiàn)，上邊界采用流量關(guān)系曲線優(yōu)于定值流量，以箱涵組合過水堰的方式概化橋梁優(yōu)于直接采用橋梁斷面法。
上述結(jié)論以期為后續(xù)相關(guān)案例提供一定的參考意義。此外MIKE21在平面二維自由表面流數(shù)值模擬方面具有強(qiáng)大的功能，軟件自帶構(gòu)筑物選項(xiàng)，可以實(shí)現(xiàn)簡單橋墩結(jié)構(gòu)的模擬。但MIKE二維建模需有精度較高的地形數(shù)據(jù)，建議有條件的情況下可進(jìn)一步采用MIKE二維模擬，對計(jì)算結(jié)果與實(shí)際貼合程度有一定的提高。
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◎賴宇寧 深圳市水務(wù)規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司
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1.案例簡介
本次案例涉及深圳市茅洲河，擬新建一座跨河橋梁（以下簡稱橋梁A），采用三跨過河的方式跨越茅洲河。同時(shí)，橋梁A上游1km范圍內(nèi)有兩座現(xiàn)狀橋梁B和C，且現(xiàn)狀橋梁均在河道行洪斷面內(nèi)設(shè)有橋墩。由于橋梁A建設(shè)方案涉及河道管理范圍，需對其進(jìn)行防洪評估分析。在防洪評價(jià)水文計(jì)算章節(jié)，應(yīng)重點(diǎn)對橋梁A建設(shè)前后對河道行洪影響進(jìn)行分析計(jì)算。本次案例的特點(diǎn)是，橋梁壅水計(jì)算應(yīng)將現(xiàn)狀橋梁一并考慮，進(jìn)行橋梁群的壅水疊加影響分析。
2.河道概況
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圖1 茅洲河流域水系圖
3.設(shè)計(jì)方案
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5.項(xiàng)目上下游現(xiàn)有工程情況
現(xiàn)狀橋梁B位于橋梁A上游約128m，4跨過河，單跨寬16m，總跨64m，橋?qū)?m，頂板高程10.77m。
現(xiàn)狀橋梁C位于橋梁A上游約574m，4跨過河，單跨寬16m，總跨64m，橋?qū)?.2m，頂板高程11.55m。
6.項(xiàng)目建設(shè)對河道行洪影響
6.1 計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)
橋梁A工程未改變片區(qū)匯水，因此本次計(jì)算直接引用《河道綜合整治工程初步設(shè)計(jì)》中的洪水計(jì)算成果，防洪標(biāo)準(zhǔn)采用100年一遇，設(shè)計(jì)洪水成果見表1。
表1 A橋斷面設(shè)計(jì)洪水成果表
6.2 壅水分析
根據(jù)跨河橋梁工程特性，本次采用經(jīng)驗(yàn)公式法及MIKE11建模方法，計(jì)算橋梁A運(yùn)行期在設(shè)計(jì)洪水條件下的壅水高度和壅水距離。
6.2.1 計(jì)算方法
（1）經(jīng)驗(yàn)公式法。
1）橋前壅水。
橋前最大壅水高度可采用以下公式計(jì)算：
式中：
ΔZ－橋前最大壅水高度（m）；
Q－天然狀態(tài)下橋下通過的設(shè)計(jì)流量（m/s）；
ω－橋下過水面積（m）；
V－橋下平均流速（m/s），
Q－設(shè)計(jì)流量（m/s）；
ω－橋下凈過水面積（m）；
圖2 橋梁平面圖
圖3 橋梁與河道立面關(guān)系圖
K－考慮沖刷引入的流速折減系數(shù)，反應(yīng)橋下流速隨河床沖刷斷面增大而減小的系數(shù)；K=1。
2）壅水曲線長度。
根據(jù)水力學(xué)明渠恒定流水面曲線長度的分段求和法計(jì)算，計(jì)算公式為：
式中：
L——壅水曲線長度；
I——水面比降；
其余符號(hào)意義同前。
（2）MIKE11一維模型。
圖4 建橋前水面線結(jié)果
圖5 建橋后水面線結(jié)果
表4 A橋橋位處壅水計(jì)算成果表
本次計(jì)算采用丹麥丹華水利環(huán)境技術(shù)有限公司（DHI）的MIKE11軟件，通過水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型推求不同流量下的水面線。
MIKE 11 HD是一維水動(dòng)力模型，主要用于洪水預(yù)報(bào)及調(diào)度措施，河渠、灌溉系統(tǒng)的設(shè)計(jì)調(diào)度及河口的風(fēng)暴潮的研究。該模型是基于圣維南方程組，方程組用6點(diǎn)Abbott隱式有限差分法離散，用追趕法求解。計(jì)算網(wǎng)格采用交叉網(wǎng)格方式（交替水位點(diǎn)和流量點(diǎn)）。
6.2.2 計(jì)算結(jié)果
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表2 A橋橋位處壅水計(jì)算成果表（經(jīng)驗(yàn)公式法）
表3 A橋橋位處壅水計(jì)算成果表（MIKE11模型計(jì)算）
本次一維建模將橋梁A、B和C一并考慮，為保障模型穩(wěn)定運(yùn)行，將橋梁采用箱涵疊加過水堰的形式進(jìn)行概化。
根據(jù)計(jì)算結(jié)果，取最不利情況，當(dāng)河道過洪峰流量526m/s時(shí)，A橋上游河道水位由建橋前的10.06m壅高至10.133m。同時(shí)，經(jīng)MIKE模擬補(bǔ)償措施實(shí)施后，壅水情況得以改善，對河道行洪幾乎不會(huì)產(chǎn)生不利影響。
6.3 分析對比
在本次案例中，常用的壅水計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式未體現(xiàn)橋梁群的壅水疊加因素，其計(jì)算結(jié)果僅作為一個(gè)參考，MIKE模擬計(jì)算結(jié)果相比于經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果更為合理。
7.結(jié)論與建議
本次案例通過常用的經(jīng)驗(yàn)公式及MIKE一維模型等方式對新建橋梁壅水情況進(jìn)行計(jì)算分析和對比，由于新建橋梁上游有兩座現(xiàn)狀橋梁，三橋疊加產(chǎn)生的壅水影響是防洪評價(jià)計(jì)算中應(yīng)該考慮的重要問題。
從上述分析對比可以看出，在涉及橋梁群的壅水計(jì)算中，MIKE模型模擬方式有一定的優(yōu)勢。鑒于MIKE一維模型穩(wěn)定性等方面的考慮，本次案例經(jīng)過多次多種方式調(diào)試模型發(fā)現(xiàn)，上邊界采用流量關(guān)系曲線優(yōu)于定值流量，以箱涵組合過水堰的方式概化橋梁優(yōu)于直接采用橋梁斷面法。
上述結(jié)論以期為后續(xù)相關(guān)案例提供一定的參考意義。此外MIKE21在平面二維自由表面流數(shù)值模擬方面具有強(qiáng)大的功能，軟件自帶構(gòu)筑物選項(xiàng)，可以實(shí)現(xiàn)簡單橋墩結(jié)構(gòu)的模擬。但MIKE二維建模需有精度較高的地形數(shù)據(jù)，建議有條件的情況下可進(jìn)一步采用MIKE二維模擬，對計(jì)算結(jié)果與實(shí)際貼合程度有一定的提高。
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