Mike21FM和SMS软件在机荷高速桥梁工程防洪评价数值模拟中的应用

邓新超

(深圳市水务规划设计院股份有限公司，广东 深圳 518022 )

随着社会经济不断发展，高速公路等建设项目逐渐增多，规模也逐渐增大，特别是在河道拟建桥墩后，使河道的行洪断面、水流形态、冲淤平衡等发生一系列变化，进而影响河道排放口排水，甚至还有可能影响河势稳定性。因此，需要通过Mike21FM数学模型结合SMS(Surface-Water Modeling System)软件对工程区域进行模拟计算，求出工程壅水高度及长度、流速流场变化及设计水位，形成三维可视化效果，为防洪评价提供可靠依据，从而避免因工程建设给河道防洪安全造成影响。

1 项目概况

机荷高速公路工程属于G15沈海高速公路深圳段，位于深圳市中心区域，是粤港澳大湾区东西向的交通中轴线，也是深圳境内通往机场的唯一一条东西走向的高速公路。起点位于龙岗区的荷坳立交，顺接惠盐高速；终点位于宝安区的鹤州立交，连接广深高速，与深中通道顺接，路线长约42km；该工程在道路桩号40+610—40+820段采用2跨型式通过九围河，其中2座桥墩设置在河道行洪断面内，因此，需要对河道内设置桥墩进行数学模拟计算。

2 模型建立及计算

2.1 模型计算方法

计算采用丹麦丹华水利环境技术有限公司(DHI)的Mike21FM软件，属于Mike系列软件中的一种，Mike系列软件广泛地应用于潮汐、水流、水质、热流通、湖震、风暴潮、密度流、波浪、泥沙侵蚀、船运、防波堤布置等二、三维水力学现象的研究，Mike系列也因此被推荐为河流、河口、湖泊和海洋近岸水流的仿真模拟软件。

Mike21FM是二维水动力模型，该模型水动力的控制方程为纳维-斯托克斯(Navier-Stokes)方程，模型采用有限体积法将水动力控制的偏微分方程进行离散并求解，模型可以采用不规则网格对地形进行贴合，提升计算精度。

2.2 模型范围及网格划分

2.2.1模型范围

本次模型范围初步界定在拟建桥梁上下游河道顺直、河势较为稳定的河段(桩号0+411.87—0+611.13)，首先将CAD地形数据转化为Mike21FM模型可识别的地形数据，构建模型计算区域(如图1所示)，并通过网格将地形数据离散化求解。本次桥梁的壅水分析计算考虑了河道内机荷高速现状桥墩阻水作用，在设计标准洪水下通过网格将地形数据离散化进而求解1#和2#桥梁建设前后的水面线高程差，得出1#和2#桥梁的壅水情况。

图1 壅水分析计算模型范围及主要计算因素(单位：m)

2.2.2网格划分

在高程数据质量及精度有限的情况下，生成的网格往往会出现局部异常，主要原因是地形数据缺失或高程异常所导致(如图2所示)，本次计算模型区域采用SMS软件对模拟区域地形进行处理，桥墩通过拔高概化，最终形成非结构三角网格，对2座拟建桥墩及5座现状桥墩等主要构筑物在模型中的网格进行局部加密，如图3所示。工程前后模型地形网格划分如图4所示。通过2种方法比较，联合使用SMS软件处理后生成的网格更加平滑、美观，使得Mike21FM模拟计算结果更为精确、可靠。

图2 未使用SMS软件处理的地形三维效果图

图3 使用SMS软件处理后的地形三维效果图

图4 工程前后模型地形Mike21 FM网格图(单位：m)

2.3 计算工况

本次模拟计算在河道遭遇50a一遇设计标准洪水时建桥前后的壅水情况，模型设置2个开边界，将九围河上游设置为流量边界，九围河下游设置为水位边界。根据设计洪水复核成果，九围河上边界50a一遇设计流量Q=84.32m3/s，同频率下的九围河下游设计洪水位H=28.13mm。

2.4 糙率选取

糙率(n值)是反映河床、岸壁形状的不规则性和表面粗糙程度的一个系数，在水流运动过程中，直接影响沿程能量损失的大小。根据河道特性、河道的地形地貌资料及岸壁情况综合确定河道糙率。

河道糙率选择主要参照《水力计算手册》，综合考虑河道断面现状及规划情况，根据不同的材料选取不同的糙率。模型计算范围河道深浅不一，边滩和河床糙率各不相同，故模型在设定糙率时采用随水深的变化值，根据每个网格的水深值设定不同的糙率值。根据相关研究，变动糙率的取值为：

n=2n1(h≤1.0m)

(1)

n=n1+n2/h(h≤1.0m)

(2)

式中，h—水深，m，取正值;n1—河床沙粒糙率系数，其取值范围为0.01～0.025；n2—河床形态糙率系数，其取值范围为0.005～0.01；n1和n2合称糙率系数。

根据模拟计算涉河处河段50a一遇工况下水深成果，如图5所示。该河道内水深均大于1m，最深处水深达到5m，因此糙率计算方式采用式(2)取值，最后根据河道构筑物特征及取值公式取综合糙率取值为0.028。

图5 模拟河道水深图(单位：m)

2.5 行洪影响综合分析

2.5.1过流能力影响分析

主要分析桥梁修建后对九围河行洪区域整体过流能力影响。根据模型分析计算可知，工程后水位较工程前有所上升，但河道水位上涨高度微小，水位不漫过左右岸堤顶高程，不对河道过流造成影响，详情见表1，如图6所示。

2.5.2流速变化影响分析

根据模型计算拟建桥墩局部流速图，所在河段因桥墩修建后断面缩窄，造成桥墩与流水方向两侧流速增大，桥墩下游因桥墩阻水效应而致流速减小，其中1#桥墩两侧流速为1.25m/s，2#桥墩两侧流速为1.05m/s，详情如图7所示，见表2。

表1 拟建1#和2#桥建桥前后九围河水位变化情况(P=2%) 单位：m

表2 冲刷深度计算成果

由于本次拟建桥墩后将在桥墩处采用抛石进行防护，表面采用砌石整平，防护措施能满足桥墩处最大1.25m/s流速，因此，工程可满足抗冲刷要求。

2.5.3壅水影响分析

通过模型分析计算工程前后水面线，可以得出桥墩的壅水高度及长度。根据上述计算成果可知，1#桥墩工程前水位为28.148m，工程后水位为28.202m；2#桥墩工程前水位为28.131m，工程后水位为28.139m，见表3。拟建1#、2#桥墩处壅水流场图如图8所示。由图8可知，拟建1#、2#桥墩后产生的桥墩处最大壅水值为0.054m，桥墩拟建所造成的水位壅高对河道行洪影响甚微，且河道沿岸排放口不造成影响。

表3 拟建1#和2#桥墩建桥前后九围河水位变化情况

图6 工程后1#、2#桥墩处水位与河岸关系三维图

图7 拟建1#、2#桥墩局部流速图

图8 拟建1#、2#桥墩处壅水流场图

3 结论

由以上对模型地形数据的处理、分析和计算可得出以下结论。通过SMS(Surface-Water Modeling System)软件删除地形数据中的异常高程点，并将拟建桥墩拔高网格概化。经过处理后的模型网格精度更高，轮廓与实际更为贴近，以此可避免因网格地形凸变给模拟运算造成影响。运用Mike21FM模拟计算可以全面、准确、直观地反映桥墩处的流场变化、壅水高度及范围变化等特性。根据Mike软件自带的Mike Animator Plus工具显示三维模拟效果，可以直观判断工程前、后模拟设计水位与河道堤顶、排水管涵及桥墩等位置关系，为实际工程建设提供科学依据，有利于提升桥梁工程防洪评价分析计算水平。