多桥并存背景下辽河特大桥的防洪影响评价研究

王宏岩

(辽宁省营口水文局，辽宁 营口 115003)

多桥并存背景下辽河特大桥的防洪影响评价研究

王宏岩

(辽宁省营口水文局，辽宁 营口 115003)

以京沈客运专线辽河特大桥为例，基于HydroInfo二维水力模型,对多桥并存背景下辽河特大桥的防洪影响评价进行了深入研究。模拟结果显示，大桥的建设对桥址上下游河道及两岸均影响较小，不需要采取额外的防护与补救措施。

辽河特大桥；防洪影响评价；多桥并存

京沈高铁辽河特大桥桥址河段密集分布有多座桥梁，由于桥梁壅水是从下游向上游传递，对于在桥间距较小且多座桥梁的情况下，必须要考虑多壅水叠加效应。HydroInfo水力信息系统是重要的水力研究工具，在洪水、泥沙与河道演变分析等领域具有广泛的应用[1]。该系统主要由计算分析、信息查询等模块构成，其中计算模块将研究区内的库群、河网、堤坝与淹没区等视为大系统进行统一处理，并采用分区动态耦合算法构建二维或三维流动微分方程组作为控制方程[2]。本文基于HydroInfo二维水力模型，对京沈高铁辽河特大桥的防洪影响进行评价，拓展了HydroInfo水力信息系统应用范围，对类似桥梁工程的防洪影响评价具有重要的借鉴价值。

1 工程概况

京沈高铁辽河特大桥是京沈高铁辽宁段的重要桥梁工程之一，位于辽宁省沈阳市新民市境内[3]。辽河特大桥中心里程DK640+424，全桥长12 040.1 m。大桥的基础均采用钻孔灌注桩及挖井基础，桥墩设计为双线圆端形实体等截面墩和圆端形实体变截面墩，桥台采用双线一字形桥台。

辽河是我国东北地区南部的主要河流，全长1345 km，流域面积21.9万km2。辽河流域属于典型的中温带大陆性季风气候，降雨量年内分配极不均匀，主要降雨集中于夏季的7、8月份，占全年降水量的一半左右。受降雨季节变化的影响，辽河径流的年内分布极不均匀，其中7～9月的径流占全年的76.5%。

辽河特大桥桥址区为第四系冲积平原，地形平坦，地面高程约35～41 m，该区域大部分地段为耕地，其中分布有大量乡村土路。表层为种植土，第四系覆盖层厚度变化较大，第四系覆盖层较厚，未见基岩出露。桥址区地下水类型为第四系孔隙潜水及基岩裂隙水，勘测期间地下水埋深 1.7～11.2 m，地下水主要靠大气降水补给，以地下径流人工开采灌溉及蒸发为主要排泄方式，随季节变化水位变幅1～6 m左右。

2 HydroInfo二维模型

2.1 数学模型

HydroInfo软件自由水面模型求解利用的是平面二维浅水方程，并利用垂向分层的方式对三维自由水面的流动进行模拟[4]。由于大范围内的三维自由表面流动，其垂向尺度变化远小于平面尺度，因此可引入浅水假设对守恒方程进行必要简化。假设沿水深方向的压力符合静水压力分布特征，并进一步对守恒方程在深水方向积分以获得平均化处理，便可以获得以下守恒型浅水方程，其数学表达式如下：

(1)

其中：

；

式中：U为自变量；F为x方向的通量；G为y方向的通量；S为源项，其中的上标I为对流通量，V为粘性通量；h为水深；u为x方向的流速；ν为y方向的流速；g为重力加速度；S0x为x方向的底坡源项；S0y为y方向的底坡源项；Sfx为x方向的底摩擦源项；Sfy为y方向的底摩擦源项。且：

(2)

式中：n为糙率；Zb为河底高程，m。

2.2 模型的建立

利用HydroInfo软件中的三维自由水面模型，利用Euler-Lagrangian分层计算模式构建垂向分层动网格以及非结构化平面网格，并利用Vertex-Centered的离散浅水方程求解，对大桥桥址处的水流流动过程进行模拟[5]。

计算区域为辽河中游新民河段，由辽河特大桥下游约1000 m至上游约1350 m，全长约2350 m，宽度 800～1200 m。由于计算区域地处平原，两岸多为村屯或农地，因此选取实测地形高点为边界，并对模型进行适当展宽。模型构建主要需要计算域地形数据和上下游边界条件，数据来源于沈阳市国土部门和水文部门公布的数据资料。计算域边界采用CAD软件根据地形图描绘，上游边界条件给定流量边界：20 a一遇为1970 m3/s、100 a一遇为4410 m3/s；下游边界给定水位边界：20 a一遇为37.6 m、100 a一遇为38.4 m。

模型的网格划分采用三角形网格，并在各桥梁桥墩位置进行局部加密，总节点数21 609，总网格数 42 303[6]。计算河段的水位初值取为 39.78，糙率为 0.015。在确定计算域基本情况后，添加好边界条件完成建模。计算时间步长取为0.0005 h，设计4000步计算步数，共模拟2 h水位过程，每隔0.2 h输出一次结果，其他参数保持默认。

2.3 计算工况

京沈高铁辽河特大桥所处河段是新民市和沈阳市之间的重要通道，其上下游现存或在建多座桥梁。其中距离辽河特大桥距离较近的有G304国道巨流河大桥、G304国道改建桥和金家店桥。其中金家店桥已经停止使用待拆除；G304国道改建桥已经立项尚未动工。

为模拟辽河特大桥建成后对水面线的影响，需计算各种不同工况(表1)下的水面线、桥梁壅水及断面流速[7-8]，并与天然水面线计算成果进行对比，以分析辽河特大桥建成后的防洪影响问题。

表1 计算工况说明

3 计算结果分析与防洪评价

3.1 计算结果与分析

根据根据沈阳市和新民市的防洪规划文件，桥址河段的防洪标准为20 a一遇；根据京沈客运专线的设计要求，辽河大桥的防洪标准为100 a一遇。因此，本次模拟计算以20 a一遇和100 a一遇洪水水文资料，结合上述八种工况进行2 h水位过程的模拟计算。

计算结束后点击数据处理和流场分析，即可获取不同时刻的计算结果，以及各网格节点的水位、水深以及流速过程等数据。以11 453节点为例，其在工况一条件下遭遇20 a一遇洪水条时的水位、水深和流速的计算结果如表2所示。由计算结果可以看出，初始时刻计算范围内的水位相同，之后水位逐渐变化，并在0.6 h后逐步趋于稳定。

表2 节点11 453的计算成果

对所有8个工况的计算结果进行统计，获得如表3所示的成果。从表中数据可以看出，桥梁建成后会使桥梁上游水位雍高，而桥梁下游水位降低，桥梁处上下游水位差增大。同时，由于流量一定，水位升高时流速减小，而水位下降时流速增大。

表3 水面线模型断面水位、流速计算结果

3.2 防洪影响评价

根据水利部松辽委员会的《辽河流域防洪规划》桥址段两岸的堤防标准为20 a一遇。根据计算结果，在工况8的情况下，辽河特大桥桥址处水位较天然状况雍高0.14 m，对两岸堤防的防洪功能影响不大。

在桥址段遭遇20 a一遇的洪水时，辽河特大桥水位雍高0.05 m；遭遇100 a一遇洪水时水位雍高0.09 m，在工况8的情况下，水位为40.75 m，与大桥梁底的最小高程相差3.08 m，远大于防洪规范要求的0.50 m。因此，辽河特大桥建成后对该段河道行洪安全影响不大。

根据二维模型计算成果，该河段的等流线分布在大桥建成前后无明显变化，除桥址附近受桥墩影响略有变化之外，其余河段与建桥前基本相同。因此，大桥建成后上游部分河道会产生轻微淤积，而下游河道会产生轻微冲刷，但是影响不大，不会对河势稳定产生明显不利影响。

评价范围内没有其他水利设施，因此仅需分析对原有及新建桥梁的影响。首先，二维数学计算结果表明新建桥梁修建后对巨流河大桥附近流场影响较小，因此辽河特大桥的修建对巨流河大桥的影响较小；其次，规划中的G304国道改建桥位于辽河大桥的下游，因此影响更为轻微。

总之，京沈客运专线辽河特大桥的建设对桥址上下游河道及两岸均影响较小，除按规定执行环境保护、水土保持方案措施外，不需额外增加防洪方面的防护与补救措施。

4 结 论

面对同一河段密集分布的多座桥梁之间的雍水叠加效应，利用二维水动力模型，对桥址河段通过不同量级洪水情况下的水位壅高和水流形态等特征进行了研究。模拟结果不仅可以较为直观的进行河道洪水流态二维动态模拟，还可以为工程建设和河道管理部门的防洪影响管理提供依据，为类似项目的防洪评价提供借鉴。

[1] 林金波,金生,丁伟业.基于HydroInfo软件的溃坝水流模拟[J].水利与建筑工程学报,2015(6):113-117.

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[4] 张永华,刘国梁,丁昌春.呼口大桥防洪评价雍水及回水计算分析[J].黑龙江水利科技,2016(1):10-13.

[5] ZHANG ZhiMin,ZOU QingSong. Some recent advances on vertex centered finite volume element methods for elliptic equations Dedicated to Professor ShiZhong-Ci on the Occasion of his 80th Birthday[J].Science China,2013(12):2507-2522.

[6] 于海慧.“水深平均二维数学模型”在跨河桥梁防洪评价壅水计算中的应用[J].水利建设与管理,2014(2):29-32，48.

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Study on the flood control evaluation of Liao River Grand Bridge under the condition of existing with other bridges

WANG HongYan

(YingkouhydrologybureauofLiaoningProvince，Yingkou115003，China)

Taking Beijing-Shenyang passenger special line,Liao River Grand Bridge as an example,this paper makes an in-depth study on the flood control evaluation of Liao River Grand Bridge under the condition of existing bridges with the 2-D hydraulic model based on HydroInfo,The simulation results show the bridge has so little influence on the upstream and downstream that no additional measures should be take.

Liao River Grand Bridge; evaluation of flood control; existing with other bridges

王宏岩(1980-)，女，辽宁岫岩人，工程师，主要从事水文勘测、财务管理工作。E-mail:xwg123@126.com。

P331.1

A

2096-0506(2017)02-0051-04