二维数学模型在甲一桥防洪评价中的应用

1、二维数学模型在甲一桥防洪评价中的应用河道中修建桥梁，一定程度上会影响原有河道的水文情势，因为桥墩对河道起阻水的作用。根据?中华人民共和国水法?中华人民共和国河道管理条例?中华人民共和国防洪法?及1992年水利部与原国家计委结合公布的?河道管理范围内建立工程管理的有关规定?，对河道管理范围内的建立工程修建开发水利、防治水害、整治河道的各类工程和跨河、穿河、穿堤、临河的桥梁、码头、道路、渡口、管道、缆线等建筑物及设施，需编制防洪评价报告，进展防洪评价分析计算，主要通过建立桥梁工程跨越河段、河道二维数学模型，分析工程建立前后的流速、流态变化，分析工程建立工程兴建对河段、河势稳定的影响。1工程概况甲一

2、桥位于广西阳朔县新城区甲一路与田家河穿插处，距田家河与漓江集合口1.43k，工程所在田家河流域面积为651k2，河长42.7k，流域面积为325.1k2，河道平均坡降为6.83，田家河流域地貌主要为河流侵蚀堆积地貌、部分岩溶地貌及少量的丘陵。河流侵蚀堆积地貌主要有河床，江心洲，田家河一、二级阶地。岩溶地貌主要有峰林、残峰等。河道弯曲总体呈形，两岸未见基岩出露，仅部分河段河床出露基岩，两岸为水田或旱地。甲一桥采用上承空腹式钢筋混凝土等截面悬链线箱形拱桥，桥梁总长度为93.89，桥墩设于桥两侧，与桥台相距7.76，高3.50，两桥墩相距70，主拱跨径为70，主拱桥两侧分别有3个小桥拱，跨径分别为5

3、.5、5.5、5.34。2二维数学模型计算2.1二维数学模型计算方法二维数学模型计算采用IKE21Fldel简称IKE21F软件进展模拟计算。近年来，国际上出现了不少成熟的二维水力学模型。丹麦水力学研究所开发的二维数学模型模拟软件IKE21是应用较为广泛的一款商业模型。它广泛应用于国内外河流、湖泊、河口、海湾、海岸等水动力模拟当中，获得了较好的效果，是目前国际上较为先进的模型之一。计算采用IKE21F软件中的HD模块建立模型，该模块采用垂向平均二维浅水方程，离散方法为有限差分法，计算方法采用ADIAlternatingDiretinIpliit和DSDubleSeep格式，其根本方程如图。垂向

4、平均二维浅水方程：式中：h为水深；？灼为水面高程；p、q为x、y方向的单宽流量，其中p=uh，q=vh，u、v分别为x、y方向上沿水深的平均流速；为谢才系数；g为重力加速度；f为风摩擦系数；V、Vx、Vy为风速及在x、y方向上的分量，单位为/s；？赘为柯氏力参数，单位为s-1；pa为大气压强，单位为kg/s2；？籽？棕为水的密度，单位为kg/3；S、Six、Siy为源汇项及在x、y方向上的分量；？子、？子xx、？子yy为有效剪切力分量。2.2模型范围及网格划分模型采用的地形为11000现状实测地形资料。甲一桥模拟范围为桥梁上、下游共约1400，上、下游边界间隔 桥梁分别为850、550。由于甲

5、一桥河道两岸约40处规划建立公路，公路防洪标准与阳朔县城防洪标准一致，高程在20年一遇洪水位以上。甲一桥模型计算以两岸公路为边界，模型左、右岸边界宽约150，其中河道宽约70，边界间隔 河岸3050。模型的网格采用三角网格，网格尺寸约4。为了进步模型的模拟精度，桥墩区域网格部分加密，桥墩周边网格尺寸为0.81.4，模型网格数量约3802个。2.3水文边界条件二维模型上边界为开边界，采用流量控制；下边界为开边界，采用水位控制。甲一桥下游水位由一维水面线计算成果查出桥梁断面下游550的模型边界水位作为起算水位。一维水面线计算如下。2.3.1计算断面在漓江集合口上游约6.6k范围内结合11000实测

6、地形图，一共加密布设了横断面69个干流，各断面最小间距为50，最大间距为100，平均间距为95。2.3.2糙率通过现场历史洪水调查结果，结合附近流域水文站水位糙率关系，确定本工程规划范围内河道现状综合糙率0.0320.050，河道整治后主槽糙率为0.030，两岸边滩糙率为0.050。2.3.3洪峰流量阳朔城区漓江干流上游建立或在建斧子口、川江、小溶江和青狮潭4座水库，根据各水库防洪调度规那么，研究上游水库对阳朔20年一遇设计洪水的削峰才能和对漓江水位的削减效果。由设计洪水地区组成分析可知，本文由论文联盟.Ll.搜集整理经上游水库防洪调度后，漓江阳朔水文站削减的洪峰流量为1504103/s，水位

7、削落为0.120.33。田家河洪水受漓江干流顶托影响，一维水面线推求洪水组合按2种工况进展计算，各频率水面线采用的洪峰流量成果如下。15年一遇水面線。工况1：漓江阳朔站发生5年一遇设计洪峰流量为50603/s，相应水位为111.48；田家河遭遇全年期2年一遇洪水5523/s。工况2：漓江阳朔站发生2年一遇洪水33953/s，相应水位为109.62；田家河遭遇全年期5年一遇洪水9443/s。220年一遇水面线。工况1：漓江阳朔站发生20年一遇设计洪峰流量为70103/s，相应水位为113.28；田家河遭遇全年期3年一遇洪水7403/s；工况2：漓江阳朔站发生3年一遇洪水42703/s，相应水位为

8、110.64；田家河遭遇全年期20年一遇洪水16203/s。3100年一遇水面线。工况1：漓江阳朔站发生100年一遇设计洪峰流量为91203/s，相应水位为114.95；田家河遭遇全年期5年一遇洪水9443/s；工况2：漓江阳朔站发生5年一遇洪水50603/s，相应水位为111.48；田家河遭遇全年期100年一遇洪水24803/s。2.3.4起算断面及起算水位起算断面为田家河漓江集合口，根据漓江水面线坡降由阳朔站推得起算断面100年一遇、20年一遇、5年一遇、3年一遇、2年一遇起算水位分别为114.95、113.33、111.53、110.66、109.64。据漓江上游防洪水库调度方式，对20

9、年以下洪水没有调蓄作用，由洪水组成分析结果，上游防洪水库20年一遇、100年一遇削峰效果取典型年洪水削峰均值0.20考虑，那么经水库调蓄后20年一遇、50年一遇、100年起算水位分别为113.13、114.03、114.80，5年一遇、3年一遇、2年一遇起算水位分别为111.5、110.69、109.64。由上述根本资料和漓江与田家河间的2种洪水组合，采用河道非均匀渐变流伯努利方程式进展计算，取外包线确定水面线成果。考虑到各频率水面线计算中的工况1成果水位低、流速大，从工程平安的角度考虑，本次工程按工况1推求的水位成果作为起算水位。设计流量、起算水位成果见表1。2.4二维模型概化由于本次评价的

10、桥梁为拱桥，两侧布置有副孔，模型难以准确地模拟各桥拱副孔的过水水流流态，因此根据阻水面积将桥墩概化为方形墩。桥墩为实体，不过水。2.5计算参数IKE21F模型在建立完二维地形后，需对模型所使用的参数进展设定，主要参数有计算区域的曼宁值、涡旋黏性系数、模型干湿度等。2.5.1曼宁值计算区域的曼宁值反映区域内不同地物对水流的阻力作用，由糙率确定，等于糙率值的倒数。糙率主要通过验证工程前一维水面线成果，通过调整糙率，使工程前各断面水位成果与一维水面线成果相近，分析的计算曼宁值为32。2.5.2涡旋黏性系数涡旋黏性系数根据本地区洪水期水体资料选取，本次模型取的是默认值0.28。2.5.3模型干湿度模型

11、干湿度是为了模型在计算二维洪水演进时判断水流在网格间传递的2个参数，低于dryingdepth，洪水不再演进，高于dryingdepth低于fldingdepth，洪水演进但不参与计算；高于fldingdepth，洪水演进且参与计算。此参数越大，模型越稳定。根据现场查勘对滩面组成的分析，本次计算dryingdepth选用0.0005，fldingdepth选用0.005。2.6模型的率定二维模型的率定主要是以一维水面线计算成果为根据，通过调整糙率等计算参数，使二维模型的计算水位与一维成果根本一致，从而得到二维模型的最终采用参数。2.7计算工况二维模型计算选择流量大对桥梁最不利的工况，即田家河发

12、生100年一遇、漓江干流发生3年一遇，田家河发生20年一遇、漓江干流发生5年一遇，田家河发生5年一遇、漓江干流发生2年一遇条件下工程前后的3种工况。2.8计算成果为了能更好地反映甲一桥上下游的流速变化情况，本次在模型范围内布置A、B、桥梁断面、D、E5个断面，每个断面布置5个点，读取各点工程建立前后的流速变化情况。各点分别布置于主要河槽、滩槽、岸边等位置，根本能反映工程前后流速变化情况。各断面、点布置位置如图1所示。从表2、图2可知，工程前评价的甲一桥河段主槽河势顺直，水流流态根本平顺，甲一桥段主槽5年一遇流速为1.452.68/s，20年一遇流速为1.853.50/s，100年一遇主槽流速为

13、2.243.97/s。总体趋势是河槽比岸边外表流速稍偏大。甲一桥河段过流断面宽度相对较小，河深较大，各布置点流速值随流量增大而增大。根据工程前后流态图及表2可知：工程前后甲一桥河段各频率流态变化根本相似。桥梁建成后，由于桥墩及拱架的阻水而压缩了行洪断面，又由于部分水头损失而造成了壅水，同时周边流速也发生变化：甲一桥5年一遇工程前后流速变化幅度为-0.310.23/s，桥梁断面流速增大，最大为0.23/s；20年一遇流速变化幅度为-0.390.60/s，桥梁断面流速增大，最大为0.60/s；100年一遇流速变化幅度为-0.580.54/s，桥梁断面流速增大，最大为0.54/s。工程后桥梁断面上游