浅析Mike21二维模型在桥梁防洪评价中的应用

张冲伟

(四川百源工程勘察设计有限公司，四川 成都 610000)

1 项目背景

岷江为长江上游左岸一级支流，是长江水量最大的支流，是四川中部一条重要河流。以发源地至都江堰鱼嘴段为上游，都江堰至乐山市大渡河汇口处为中游，乐山至宜宾汇入长江处止为下游。岷江有东西二源：东源出自高程3727m的弓杠岭，西源出自高程4610m的朗架岭，两源汇合于虹桥关上游川主寺后，自北向南流经茂县、汶川、都江堰市；穿过成都平原的新津、彭山、眉山；再经青神、乐山、犍为，于宜宾市注入长江。岷江干流全长711km，流域面积13.59万km2。

乐山市某岷江特大桥左岸位于四川省乐山市市中区牟子镇菜利村，右岸位于四川省乐山市市中区通江镇檀木嘴村，桥梁跨岷江而设。项目的建设沟通岷江两岸，衔接乐峨大道与眉乐快速干道，共同构成乐山中心城区东北部城市过境公路，对完善普通省道网、构建四川综合交通次枢纽、打造乐山市半小时经济圈，实现中心城区到周边县(市、区)的快速通达、有效分离城镇区间与过境交通具有十分重要的意义。由于桥梁的建设影响工程区岷江局部河段水位、流速、流态等，对桥区岷江河道行洪造成一定影响，根据《中华人民共和国水法》、《中华人民共和国防洪法》等有关规定，该桥梁须进行防洪影响评价专题论证，为工程建设及项目审批提供依据。

目前经验公式、一维数学模型和二维数学模型是用于研究桥梁对河道防洪影响采用较多的方法，其中Mike21是较为成熟的二维数学模型之一。文章采用该模型模拟桥梁建设后桥区河道水位变化情况，评价桥梁建设对工程区河道防洪的影响。

2 Mike21模型

2.1 模型简介

Mike21模型由丹麦水力学研究所开发，是一个专业的工程软件包，可用于模拟河流、湖泊、河口、海湾、海岸及海洋的水流、波浪、泥沙及环境等。该软件在国内一些大型工程中得到应用，如：南水北调工程、长江口综合治理工程、重庆市城市排污评价、太湖富营养模型、台湾桃园工业港兴建工程等，均取得了良好的效果[1]。

2.2 模型构建基础数据

1)地形数据：

地形数据主要是指计算范围内地形地貌，这些数据可以是 DEM，电子海图，CAD图等。

2)水文数据：

水文数据包括降雨数据、上下游边界数据(流量，水位)。

3)糙率：

糙率是一个结果影响比较大的参数，如果没有实测糙率，则需要根据历史水文数据，对结果进行率定，进而确定糙率。

4)其它：

主要包括波浪、风以及潮位等数据资料。

3 计算实例

3.1 工程结构

乐山市某岷江特大桥工程全长1301m，桥梁结构为：8m+6×25m+13×40m+(62+110+62)m+(101+180+101)m+7m。主桥为(101+180+101)m、(62+110+62)m预应力混凝土连续梁桥，引桥为25、40m简支梁；主跨下部结构采用钢筋混凝土空心薄壁墩、承台桩基础，引桥下部结构采用桩柱接盖梁形式。桥台均采用肋板式，承台桩基础。

3.2 水文条件

岷江干流中游段有国家设立的基本控制站点，一般观测资料已达30-40a。此外，沿河尚有部分报汛的水位，雨量站点。虽然先后经过调整撤销部分站点，但仍具有一些实测资料，可以利用。岷江干流主要河道的历史洪水调查资料，已经全省统一汇编刊印。各站观测是项目及起迄时间详见表1。

该工程位于岷江干流上，桥址以上岷江集雨面积33785km2，与彭山水文站集雨面积(30661km2)最接近，彭山水文站资料齐全，可作为该工程水文计算依据站。

彭山水文站地处彭山县凤鸣镇岷江路，地理坐标为E103°53′，N30°12′。1938年9月由前四川省水利厅设立，1943年改为水位站，1951年3月恢复为水文站，1954年基本水尺下迁180m，改为彭山(二)站，因受碱渣堆积影响，1979年再下迁454m，2009年因城市改造又上迁了1000多m，改为彭山(三)站。测验河段顺直，控制条件较好，河床由砂卵石组成，有轻度冲淤变化，为典型的复式河槽，形成中水以下两个河槽出水，中、高水滩地淹没，左、右两槽合流。彭山水文站为国家重要水文站，为中央报汛站和岷江中下游地区的防洪依据站，承担着繁重的测报任务。

彭山水文站有1938-1942，1952-今的实测年最大流量资料。1943-1951年缺测流量，用实测年最高水位在历年综合水位流量关系曲线上插补年最大流量。经插补后，该站已有1938-2018年连续洪水系列。根据彭山水文站实测年最大流量系列，加入历史洪水，组成不连续洪水系列。用不连续系列公式计算洪水流量均值，采用P—Ⅲ型曲线，以经验适线法，求得彭山站设计洪水，成果见表2。

表2 彭山水文站最大洪峰流量计算成果表

该工程桥址处集雨面积与彭山站控制面积相差10.2%，<15%，故可将彭山水文站站的设计洪水成果采用面积比指数(按面积比的2/3次方)移用至本工程桥梁处，经计算，该工程桥址岷江设计洪水见表3。

表3 本工程桥址岷江设计洪水成果表

3.3 防洪评价计算

3.3.1 模型计算范围及地形

数学模型计算范围应能充分涵盖工程可能影响的范围及模型边界稳定所需的范围。结合工程河道地形及工程研究内容等因素，计算范围选取为：本工程上游3.8km至下游2.9km共6.7km河段。计算网格主要采用非结构网格，整个模拟河段共划分网格单元18250个，工程河段二维数模网格见图1，工程河段地形高程见图2。

图1 工程河段二维数模网格

图2 工程河段地形高程

3.3.2 有关系数的选取

1)糙率系数：

河道糙率的选用，参考计算断面上下游水文站实测资料分析，同时对照有关天然河道河床糙率表，以及近年来各有关单位的实验研究的综合成果，并结合计算河段的河床组成，岸坡光洁度，断面形状，河段水流流态流势等综合因素，并通过模型的率定和验证来确定，本次河道糙率选用0.035-0.040。

2)动边界处理

为保证模型计算的连续性，采用动边界技术模拟不同流量下的网格干湿变化。本次给定hwet为10cm，hdry为0.5cm。

3)计算工况

模型采用桥梁设计和河道防洪两个标准进行计算，评价起始断面(桥位下游2.9km)300a一遇标准下流量为17900 m3/s，相应水位为368.89m；20a一遇标准下流量为12400 m3/s，相应水位为366.80m。

3.3.3 模拟结果分析

经过模拟，本工程桥位处河道水位变化情况见图3-图4。

图3 工程建设后300a一遇洪水水位变化图

图4 工程建设后20a一遇洪水水位变化图

从二维数学模型计算结果可知，建桥后桥位上游产生壅水，桥位下游产生跌水。300a一遇洪水标准时，桥前最大壅水高度为8cm，最大跌水高度为11 cm；20a一遇洪水标准时，桥前最大壅水高度为5cm，最大跌水高度为8cm。Mike21计算得到的桥前最大壅水值与采用经验公式[2]计算得到的桥前最大壅水值(300a一遇壅水6.8 cm，20a一遇壅水4.1cm)接近，说明了Mike21在桥墩壅水计算中的适应性较好，计算结果较为合理。

4 结 语

以乐山市某岷江特大桥为例，采用Mike21二维模型对建桥前后水位变化情况进行模拟分析，其结果与经验公式计算结果基本一致，说明该模型能很好地满足防洪评价要求。该桥梁建设造成的水位壅高值较小，对桥区岷江河道行洪影响较小。

Mike21二维模型具有研究费用低、运行速度快、周期短、可考虑较多因素的相互影响、对结果进行可视化展示等优点。随着水动力学理论及计算机技术的不断完善，水动力模型技术将朝着高效、高精度、可视化等方向迅猛发展。