浅谈Mike21模型在桥梁防洪评价补偿方案中的应用

张 健，王 霞，任锦亮，吕 军，诸葛绪霞

(盐城市水利勘测设计研究院，江苏 盐城 224000)

盐城市南环路通榆河大桥位于江苏省盐城市亭湖区，桥梁跨通榆河而设，位于现有通榆河大桥两侧，由于跨河桥梁在河道内设墩柱阻水，对通榆河河道行洪排涝影响较大，根据《中华人民共和国水法》《中华人民共和国防洪法》和国家计委、水利部《河道管理范围内建设项目管理的有关规定》(水政[1992]7号文)，本工程需进行防洪评价。

在防洪评价报告编制过程中，针对阻水较大的涉水构筑物，补偿方案设计是其重要组成部分。随着近代计算机技术与数值方法的不断进步，数学模型得到了广泛的应用，由于数学模型的精确性与可视化性，本文将Mike21模型运用到涉水工程的防洪评价补偿方案中，建立桥址附近河道数学模型，对河道及桥墩处流场进行数值模拟，分析不同补偿方案前后水位、流场变化，确定最优补偿方案，以减少大桥建设对河道行洪排涝的影响。

1 研究区域概况

1.1 河流概况

通榆河是里下河地区南北向骨干河道，向里下河地区及渠北滨海、阜宁、响水地区供水并兼顾排涝、航运。河道自东台至响水177.7km，其中东台-废黄河南段河道引水能力100m3/s，河道底宽50m，河道底高程▽-4.21m(1985年高程基准，下同)；废黄河北-响水段河道引水能力50m3/s，河道底宽50m，河道底高程▽-1.21m。

1.2 工程概况

南环路是盐城市城市快速路网工程“一环五射”中“一环”的一部分，南环路全长12.6km。现有南环路跨通榆河大桥上部结构为(50+80+50)m三跨预应力混凝土变截面双箱双室连续箱梁，梁高1.5～4.65m，下部结构采用钢筋混凝土矩形实体式桥墩，钻孔灌注桩基础。桥墩平面尺寸3m(垂直水流方向)×10.5m(顺水流方向)。承台厚度3m，承台顶高程▽2.8m，底高程▽-0.2m，平面尺寸10m(垂直水流方向)×13.75m(顺水流方向)。桥梁与通榆河垂直相交。

新建南环路跨通榆河大桥位于现有通榆河大桥两侧，其中跨通榆河主桥上部结构采用悬臂浇筑预应力混凝土连续箱梁，跨径组成为(50+80+50)m，箱梁断面采用单箱单室直腹板形式，桥梁横坡由腹板变高度形成，梁中心高度为2.3～4.6m。主墩采用薄壁空心墩，钻孔灌注桩基础。墩柱断面尺寸为3.5m(垂直水流方向)×6.25m(顺水流方向)。承台厚度3.5m，平面尺寸10m(垂直水流方向)×11.5m(顺水流方向)，承台顶高程▽-1.3m，底高程▽-4.8m。

2 模型设计

2.1 模型计算范围及网格剖分

综合考虑水文资料、地形及工程研究内容等因素，选取南环路跨通榆河大桥上下游各1.2km河段为计算范围。

现状河道断面标准为实测断面，测量间距为100m，桥址处加密测量。通榆河设计断面标准为：河道底宽50m，河底高程▽-4.21m，边坡1∶3(桥址上游600m～下游900m范围内为1∶4)，青坎高程▽2.29m，青坎宽度15m，堤顶高程▽3.79m，堤防边坡1∶2.5。

本次模型采用无结构三角形和四边形混合网格剖分，如图1所示。在建模过程中，概化出桥墩形状，引入模型中，按不过水处理，桥墩周边模型网格自动加密。模型计算网格数为11185个，节点数为5931个。

图1 水力计算网格剖分图

2.2 模型参数

因为河道狭长，不考虑风力的作用。

河道糙率根据率定并参照一定的经验，桥址上游为自然河坡，青坎以下取0.0225，桥址下游有砼护坡，青坎以下糙率取0.018；青坎以上糙率取0.03。

2.3 边界条件

模型采用河道设计标准进行计算，进口流量Q=226m3/s，出口20a一遇防洪水位Z=2.425m。潮中河闸站流量12m3。

2.4 检测点布置

为比较补偿方案实施前后水位变化情况，需在河道中间设置检测点。建桥后桥墩阻水，桥墩处水位变化较大，因此检测点放在桥墩处。本次模型设置了30个检测点。如图2所示。

图2 检测点示意图

2.5 模型准确性分析

根据实测河道断面，目前桥址上下游通榆河断面河底高程一般为▽-6.0m，较设计底高程▽-4.21m相差较大。因此将实测断面与设计断面分别放入模型中计算，算得实测断面河道过流能力为227m3/s，规划断面河道过流能力为226m3/s，两者相差并不大。经对比分析，现状桥址上下游断面在防洪水位2.44m时过平均过水面积为515m2，而设计断面为513m2，两者基本相同。为计算方便，在本次模型的计算中用设计断面代替现状实测断面。

3 补偿方案设计及计算结果分析

3.1 补偿方案设计

目前桥址下游已经有混凝土护坡，根据分析，壅水主要发生在桥梁上游，为减少对现有护坡的破坏，初步拟定从新建桥下游100m拓浚河道进行补偿。根据计算，桥墩阻水面积约为50m2，根据现场实际情况，初步考虑河道青坎对称拓浚补偿，拓宽断面为底高程-1.21 m，底宽10m，边坡1∶3，补偿面积57.75m2，与桥墩阻水面积基本相当。补偿方案断面示意图如图3所示，考虑上游补偿不同的长度100、200、400m。

考虑不同补偿范围进行以下几种工况分析计算，见表2，如图4所示。

表2 补偿方案计算组合表

3.2 不同补偿方案计算结果分析

3.2.1流速、流场变化

(1)平均流速。根据表3计算统计结果，通榆河防洪20a一遇工况下，现状无桥时，桥位处断面平均流速为0.419m/s，建桥以后，断面平均减少为0.407m/s，平均流速减少0.012m/s。采取断面补偿，开挖长度为500m时，平均断面流速恢复至0.417m/s。总的来说，断面平均流速变化较小，补偿后，基本恢复原来的断面平均流速。

(2)节点流速差。20a一遇工况下，最大节点流速差出现在桥墩附近，无补偿时最大节点流速差为+0.12m/s，采取断面补偿，开挖长度为500m时，最大节点流速差减少至+0.02m/s。如图5所示。

图3 补偿方案断面示意图(单位：m)

图4 不同方案河道地形概化图

(3)最大流速。20a一遇工况下，除上游100m局部河段流速稍大(最大值0.32～0.55m/s)以外，其余皆比较小为0.05～0.41m/s。建桥前最大流速在河道中心，最大流速约为0.50m/s，建桥后无补偿时最大流速约为0.55m/s，采取断面补偿后，最大流速降为0.50m/s，基本恢复到工程前，但最大流速范围稍有扩大。如图6—10所示。

(4)流场形态。从图6—10来看，建桥前后流场变化很小，在大桥桥墩处局部流场变化较大，桥墩正前方流速变缓，水位抬高，桥墩正后方流速变缓，水位降低。

3.2.2流量变化

根据表3计算统计结果，通榆河防洪20a一遇工况下，现状无桥时，桥位处断面平均流量为226m3/s，建桥后流量减少为218.6m3/s，减少约7.4m3/s，占行洪流量的3.3%，影响较大。采取补偿开挖长度为500m时，平均断面流量恢复至225.3m3/s。

由此可见，断面补偿基本上能达到补偿流量的要求，但是补偿长度对流量影响较大。经上述计算，补偿长度为500m时，基本能满足流量补偿要求。

图5 不同方案建桥前后流速差图

表3 不同补偿方案计算成果表

图6 建桥前流场图

图7 建桥后(不补偿)流场图

图8 建桥后(桥址上下游各拓宽100m)流场图

图9 建桥后(桥址上游拓宽200m下游100m)流场图

图10 建桥后(桥址上游拓宽400m下游100m)流场图

图12 不同方案建桥前后水位差图

3.2.3水位影响

通榆河防洪20a一遇工况下，水面曲线如图11所示。没有任何补偿时，桥墩前最大壅水高度为0.76cm，壅水长度1000m。采取补偿开挖长度达500m时，壅水高度减小至0.51cm，壅水长度缩小为650m。

图11 建桥前后不同补偿方案水位线对比图(单位：m)

总的来说，水位影响比较小，采取补偿方案后，随着开挖长度的增加，能进一步降低了壅水高度和影响范围。如图12所示。

4 结论

本文将Mike21模型运用到涉水工程的防洪评价补偿方案中，依靠其模型精确性与可视化性，较为直观的呈现了不同补偿方案实施前后的水位、流场变化情况，经比选，推荐河道对称拓浚，下游拓宽长100m，上游拓宽长400m方案能基本消除大桥建设对河道行洪排涝的影响。该方法可在防洪评价补偿方案设计中推广使用。但利用模型计算也存在一定的不足，建立模型对水文、河道等资料要求较高，且建模工程量较大，一般只适用于阻水较大的工程防洪评价中。