基于水动力模型的科峰大桥防洪影响分析

郭 娅，张玮清

(广东源丰水务有限公司,广东 河源 517000 )

“十三五”时期，是河源市全面脱贫奔康、建设幸福河源的攻坚阶段。公路建设是基础设施建设的重要组成部分，也是不断夯实河源振兴发展基础的重要组成部分。现有县道X162线已无法满足日益增长的交通需求，严重阻碍当地社会经济发展，省道S341线连平隆街至新河村段改建工程已迫在眉睫。作为省道S341线改建工程的重要涉水建设项目，科峰大桥的建设将带动和促进一河两岸(连平县和新丰县)的经济发展，也使得两岸村民的交流往来更为便捷。

桥梁的建设改变了水流的形态，导致河床冲淤平衡遭到破坏，甚至影响河势，而天然河流的属性千差万别，因此不同涉水项目对河势的影响复杂多变；项目建成后，还可能对防汛抢险、日常水利管理等产生影响，因此，对建设项目进行防洪影响评价非常必要[1-2]。桥梁防洪影响计算主要包括壅水分析、冲刷分析等，经验公式、数值模拟是主要的评价手段[2-3]。经验公式的计算结果受参数选取的影响较大，而数值模拟通过模型的率定与验证，可使计算结果与实际情况更加接近，应用较广[4-5]。本文基于Mike11、Mike21分别建立一维、二维水动力模型，根据不同频率的设计洪水设立不同工况，评价科峰大桥的防洪影响，为项目建设提供依据。

1 工程概况

拟建的科峰大桥位于广东省河源市连平县田源镇境内，是新编省道S341线连平隆街至新河村段改建工程的重要内容。大桥横跨新丰江干流，是连平县至新丰县的重要公路桥梁。新丰江发源于新丰县玉田点兵，于河源市区旁汇入东江，主要支流有船塘河、连平河、大席河等，流域水系及工程位置见图1。

图1 桥址及水系示意

科峰大桥中心桩号为K11+893，跨径7 m×30 m，共有6组桥墩、2组桥台，桥墩位置及埋深见图2。桥梁全宽为12 m，净宽9 m，上部构造采用预应力小箱梁，下部构造采用U型台、柱式墩、桩基础，桥墩方向与水流方向平行；本桥平面分别位于缓和曲线(起始桩号:K11+785，终止桩号:K11+816)、直线(起始桩号:K11+816，终止号:K11+991)、缓和曲线(起始桩号:K11+991，终止桩号:K12+001)上，位于缓和曲线上的桥梁按弯桥设计。

科峰大桥上游约2 km处建有和锋桥电站，科峰大桥下游约70 km处建有新灌溉丰江水库。新丰江水库是一座以防洪、供水、灌溉为主，兼顾发电、航运等综合利用的枢纽工程，在进行工程影响评价时，应充分考虑新丰江水库防洪任务与调度原则。科峰大桥桥址河段附近无已建堤防，规划防洪标准为20年一遇。桥梁所处位置相对比较特殊，第一是位于弯道起始河段；第二是该河段上游有较广的河滩地，下游是典型的峡谷地貌；第三是在桥址处的河道右岸地形特殊，河道右岸存在山丘，在遭遇低标准洪水时不能过流，但遭遇高标准洪水时能过流。

图2 桥墩位置及埋深示意

2 研究方法

DHI software是从事河道、海洋水流、泥沙转输以及水质计算的软件。软件应用范围包括一、二、三维水流、供排水、洪水、暴雨径流、海洋泥沙等方面的计算，已得到了广泛的应用[8-12]。本文基于Mike11的水动力模块构建河段模型，以分析河段洪水影响；基于Mike21的水动力模块构建工程局部模型，以分析工程局部河段的流场变化情况。

Mike11水动力模型的基本原理是基于垂向积分的物质和动量守恒方程，即一维非恒定流圣维南方程组来模拟河流或河口的水流状态，采用Abbott-Ionescu六点隐式差分格式求解；Mike21水动力模型的基本原理是浅水方程，采用ADI法离散求解。模型的详细原理可参考相关文献[6-7]，本文不再赘述。

2.1 一维模型构建

一维模型模拟河道起点为工程下游约600 m，终点为工程上游约600 m，全长1 200 m。为了较好反映河道走势及断面变化，本次模拟布置XFJ0+000、XFJ0+350、XFJ0+500、XFJ0+550、XFJ0+600(桥址)、XFJ0+700、XFJ0+800、XFJ1+000、XFJ1+100、XFJ1+200共10个断面，各断面里程分别对应0 m、350 m、500 m、550 m、600 m、700 m、800 m、1 000 m、1 100 m、1 200 m，受实测地形资料限制，其中XFJ0+550、XFJ0+700断面通过上下游内插得到，XFJ1+100、XFJ1+200断面通过该河段平均比降延伸得到。模型计算范围及断面设置情况(见图3)。

图3 一维模型模拟范围及计算断面布置示意

模型中，将桥墩作为地形边界进行处理。模拟河段的河道断面较为整齐，主河槽面以沙及部分孤石组成，河道弯曲，滩地为土沙质，由于缺乏实测资料，本文结合《水力学》中的天然河道糙率表及流域内岳城水文站实测水位流量反推得到的河道糙率，综合确定模型的糙率取值为0.033。

2.2 二维模型构建

二维模型的计算范围为工程上、下游共约1 km，模型采用贴体自适应网格对计算水域进行离散，桥位处网格较密，最小面积为2 m2，最大尺寸为40 m2，共剖分网格30 012个，模型的模拟范围及网格剖分见图4。对于桥墩概化处理，由于计算工况下，桥墩承台位于水中，从偏安全角度考虑，将桥墩以承台的尺寸在平面地形进行封堵布置。

图4 二维模型模拟范围及网格剖分示意

网格剖分后，将外业实测的高程数据导入Mike 21中进行网格插值，得到模拟范围内的高程。根据研究区的实际情况，糙率n取值为0.033。

2.3 模型边界条件

一维模型的上游边界为流量边界，下游边界为水位边界。二维模型的流量、水位边界从一维模型的成果中提取。

上游流量根据科峰大桥断面设计洪水结果确定，以新丰江流域内的岳城水文站作为参证站，用水文比拟法确定科峰大桥断面的设计洪峰流量。岳城站有1960—2018年共59 a的实测年最大洪峰流量系列；历史洪水中有调查考证资料的年份是1947年，重现期为66 a，洪峰流量为1 620 m3/s。将系列资料经过排频分析计算，并经P-Ⅲ型曲线配线后，确定岳城站设计洪水。根据1:10 000航测地形图量算以及相关资料统计，科峰大桥桥址以上流域集雨面积为1 627 km2，岳城站集雨面积为531 km2，根据式(1)推求科峰大桥断面的设计洪峰。由于科峰大桥桥址以上集雨面积与岳城站集雨面积相差较大，因此进一步采用新丰江上游顺天水文站(集雨面积1 357 km2)复核所求设计洪水。最终计算桥址处100年一遇设计洪峰流量为3 501.95 m3/s，50年一遇洪峰流量为3 043.65 m3/s，20年一遇设计洪峰流量为2 438.49 m3/s。

(1)

式中:

Q设——桥址河段设计洪峰流量；

Q参——参证资料(本次计算选取参证站为岳城水文站)的洪峰流量；

F设——桥址控制断面以上流域集雨面积，1 627 km2；

F参——参证站的控制集雨面积，531 km2；

n——面积比指数，依据《工程水文及水利计算》(成都科技大学、华东水利学院、武汉水利电力学院合编)，小流域n一般为2/3，出于防洪安全考虑本次取n=0.67。

下游水位由曼宁公式计算得到，见式(2)。由图3可知，模型下游河段断面为桩号XFJ0+000，该断面河底高程为99～103 m，河床糙率为0.034，河道比降为0.013 6。因该河段属于新丰江水库回水影响末端，需考虑新丰江水库的防洪调度原则，结合在相应洪水频率下新丰江水库的洪水，最终确定断面水位。由此计算得到20年、50年、100年一遇设计洪水对应的下游断面河道水位分别为118.044 m、118.944 m、119.544 m。

(2)

式中:

k——转换常数，国际单位制中值为1；

n——曼宁系数；

Rh——水力半径；

S——河道坡度。

3 结果分析

根据科峰大桥是否建成分为工程前、工程后，结合不同频率的洪峰流量及下游水位设置6种工况，6种工况边界及大桥建立情况见表1，使用一维、二维模型对各个工况分别进行模拟计算。

表1 不同工况基本情况

3.1 壅水分析

桥梁的建设改变了局部流场的水流流态，行洪断面的有效过水面积减少，桥前形成壅水。壅水高度及壅水长度不但影响桥梁的设计，还涉及到两岸的防洪安全。本文依据一维水流数学模型的水位成果，分别分析20年一遇(工况1和工况2)、50年一遇(工况3和工况4)、100年一遇(工况5和工况6)的水位(见表2)，工程前后河段平均水力坡度对比见表3。

由表2可知，在20年一遇洪水条件下，科峰大桥产生的壅水高度为0.002 m，壅水长度小于400 m；在50年一遇洪水条件下，工程河段的最大壅水高度为0.004 m，壅水长度位于400～500 m之间；在100年一遇洪水条件下，工程河段的最大壅水高度为 0.009 m，壅水长度位于500～600 m之间；科峰大桥的壅水作用较小。

表2 遭遇不同频率洪水建桥前后沿程水位 m

表3 工程前后河段平均水力坡度

由表3可知，在遭遇20年一遇洪水时，工程前后河段平均水力坡度分别为0.258‰、0.259‰；在遭遇50年一遇洪水时，工程前后河段平均水力坡度分别为0.336‰、0.337‰；遭遇100年一遇洪水时，工程前后河段平均水力坡度分别为0.392‰、0.393‰。综合分析，该河段的水力坡度较小，工程前后河段平均水力坡度变化较小，验证了该河段仍受新丰江水库回水影响；工程区域属于山前冲击漫流河段与下游收缩河段的过渡区域，据分析在遭遇全流域100年一遇洪水时，水流受地形影响较大，因此科峰大桥在遭遇100年一遇洪水时产生的壅水作用最为明显，水力坡度较大。

3.2 流场分析

流场直接影响河流的平面形势及发展趋势，本文根据二维模型的结果分析流场变化。由于二维计算结果数据较多，为了便于分析，在大桥工程上、下游以及桥下桥墩之间布置了采样点1#～5#、7#～12#、B1#～B8#，其中1#～5#属于桥址上游采样点，7#～12#属于桥址下游采样点；B2#～B4#属于与桥墩间的采样点，B1#、B5#属于桥墩与岸坡之间的采样点，B6#、B7#、B8#、B9#属于桥址上下游岸坡附近采样点，各采样点具体分布情况见图 5。各频率下工程前后流场图见图6～图11，各采样点在各频率的洪水条件下工程前后的流速和流向的变化(工程建设后与建设前的差值)见图12～图14。

由图表可见，桥址上、下游河段的采样点(1#～5#、7#～12#)工程前、后数据变化特征如下：桥址上游河段采样点(1#～5#)工程后的流速整体小于工程前的流速，桥址下游河段采样点(7#～12#)工程后的流速整体大于工程前的流速。

图6 20年一遇工程前流场示意

图7 20年一遇工程后流场示意

图8 50年一遇工程前流场示意

图9 50年一遇工程后流场示意

图10 100年一遇工程前流场示意

图11 100年一遇工程后流场示意

图12 工程前后流速、流向变化示意(P=5%)

图13 工程前后流速、流向变化示意(P=2%)

图14 工程前后流速、流向变化对比示意(P=1%)

初步分析，桥梁建设后对上游河段产生一定的壅水影响，使得上游河段洪水流速减小；桥墩的建设缩窄了工程断面的行洪面积，使得工程断面和下游河段的流速增大，其变化趋势符合一般规律。桥址上游、下游河段的水流流速和流向受工程建设产生了一定的变化，流速变化幅度为-0.299～0.264 m/s，流向变化幅度为-0.038～0.015 rad，工程前后总体变化幅度较小，对整体河势影响整体较小。

根据桥下采样点(B1#～B9#)的数据成果，工程断面(桥址断面)的局部流场变化趋势同样存在差异。位于主要行洪区的B1#、B2#、B3#、B4#、B6#和B7#采样点流速和流向变化趋势相同，工程后流速总体呈增大趋势，流向呈减小趋势(即水流总体呈向左岸偏移)，初步分析，流速变化符合上述结论，工程左岸为河流弯曲的凹岸，属于受主流冲刷河岸，其变化规律符合河道特性，位于主要行洪区的采样点的流速工程前后变化幅度为-0.090～0.426 m/s，流向变化幅度为-0.286～0.041 rad，总体变化幅度较小；工程断面处位于河道右岸的B5#、B8#和B9#采样点流速和流向变化趋势与主流变化趋势不同，流速变化幅度为-0.238～0.247 m/s，流向变化幅度为-2.239～0.131 rad，流速变化整体依旧偏小，但流向变化幅度较大，根据流场图初步分析，河流右岸属凸岸，在20年一遇洪水条件下，凸岸完全阻挡了水流，使得水流偏向主河槽，但在50年一遇和100年一遇洪水条件下，该河岸采样点的右侧形成了新的局部水流，使得该采样点所处区域形成了江心洲地形，局部流场发生了变化，导致了该部分采样点变化与主流变化规律不一致。

4 结语

1) 根据MIKE一维计算成果，科峰大桥遭遇百年一遇洪水时的最大壅水高度约为0.009 m，最大壅水影响范围约为600 m。科峰大桥的建设会存在一定的壅水影响，但因受下游新丰江水库回水影响，科峰大桥的壅水影响较小，对河道行洪影响较小。

2) 综上所述，工程河段的流态总体变化相对稳定、变化幅度较小且相对规律，工程建设对河势整体影响较小，对河道行洪的影响较小；桥墩与岸坡处的局部流场流速变化不大，其主要影响体现在流向的改变，工程后河段主要行洪区的水流流向偏向河道左岸，会一定程度的增大河流左岸岸坡冲刷，右岸局部流场则受水位影响较大，因此科峰大桥设计增加了岸坡防护和桥墩防冲等相应内容，减小了因桥梁建设产生的岸坡、河道冲刷影响。