石少山

(重慶交通大學(xué) 河海學(xué)院，重慶 400074)

河道內(nèi)建筑物侵占部分過水?dāng)嗝?，減小了行洪面積，一般水位會因此產(chǎn)生一定的壅高，抬高防洪實(shí)際水位，存在阻擋河道行洪的風(fēng)險(xiǎn)，給防洪搶險(xiǎn)帶來較大的難度和危險(xiǎn)。其次會改變水流的運(yùn)動形態(tài)和速度大小，打破最初河道內(nèi)已經(jīng)形成的局部沖淤平衡狀態(tài)，沖刷原有的岸坡和改變深泓線的位置，逐漸改變河道的走向、形態(tài)直至到達(dá)新的平衡點(diǎn)[1]。大部分學(xué)者研究的是大型跨河建筑物和山區(qū)大洪水規(guī)模下對河道防洪的影響，但對于平原流域小規(guī)模涉水建筑物研究甚少。例如：張細(xì)兵[2]等通過simple算法建立了二維水流模型，利用橋墩局部地形修正和局部糙率修正，針對井岡山陽明大橋橋渡壅水問題進(jìn)行了分析。李大鳴[3]等通過集中質(zhì)量的有限元方法建立數(shù)學(xué)模型，模擬天津至保定新建鐵路特大橋梁對水流的阻礙作用和局部沖刷深度。張大茹[4]等利用Mike 21HD軟件，模擬分析了以北京房山區(qū)紅螺谷小流域?yàn)榇淼纳絽^(qū)大小橋梁、漫水橋等對防洪的影響。因此廣東某小流域親水廣場建設(shè)前對方案的模擬預(yù)測，分析出方案的合理性和可能存在的問題評估是必要的[5-6]。文章采用二維數(shù)學(xué)模型[7-8]，為某親水廣場防洪影響提供理論支撐。

1 工程概況

某河道全長13.5 km，流域面積為129.4 km2，梯形河槽，寬約51 m，河底高程為34.2 m。百年一遇洪水位為39.06 m。擬建親水平臺位于河道右岸，平面采用順岸式布置，左右兩岸為居民區(qū)，親水廣場總長約138 m，寬約24 m，廣場二級平臺高程為41.25 m，一級平臺高程為41.70 m，廣場平臺伸出堤岸，位于岸坡之上，其下端用23根直徑1 m的圓柱形支柱支撐，沿水流流向分為兩排，部分支柱沿岸坡布設(shè)于坡身位置處，其余支柱沿岸坡布置于坡頂附近位置(見圖1)。

圖1 廣場剖面示意

2 平面二維數(shù)學(xué)模型的建立

2.1 基本方程

二維數(shù)學(xué)模型的控制方程是基于對不可壓縮流體的三維雷諾 Navier-Stokes平均方程沿水深積分的水流連續(xù)性方程和動量方程，通過有限體積法求解方程組[9]，進(jìn)而得到任一點(diǎn)的流速、水深、流向等相關(guān)計(jì)算結(jié)果。笛卡爾坐標(biāo)系方程表示如下：

水流連續(xù)性方程：

(1)

水流動量方程：

(2)

(3)

式中ζ為水面高程；d為時(shí)變水深；h(h=ζ-d)為水深；p，q分別為x，y方向的單寬流量；C為謝才系數(shù)；f為風(fēng)阻力系數(shù)；V為風(fēng)速，Vx，Vy分別為風(fēng)速在x，y方向的分量；Ω為科氏力參數(shù)；Pa為大氣壓強(qiáng)；τxx，τxy，τyy為各方向的有效切應(yīng)力。

2.2 模型網(wǎng)格剖分

河道橫斷面整體較規(guī)則，斷面呈梯形，縱向較為順直，地形數(shù)據(jù)來自該河道綜合整治后地形數(shù)據(jù)。為減小工程上下游附近河道對研究區(qū)域的影響，保證水流進(jìn)出口呈穩(wěn)定狀態(tài)，上游邊界取距離親水廣場上邊界150 m，下游邊界取距離親水廣場下邊界120 m。故計(jì)算區(qū)域河道面積約為19.9 km2，全長約410 m。模型采用非結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格，本工程中考慮影響水流的因素是廣場下支柱，為提高計(jì)算精度，對重點(diǎn)研究區(qū)域即支柱附近進(jìn)行網(wǎng)格加密，保證模型計(jì)算精度，如圖2。通過局部高程修正對工程支柱進(jìn)行概化[10]，其目的是為模擬工程現(xiàn)場因支柱的存在使過水?dāng)嗝鏈p小的工況。網(wǎng)格數(shù)量6 142個(gè)，節(jié)點(diǎn)3 250個(gè)，最大網(wǎng)格面積10 m2，最小三角形角度為26°。

2.3 模型參數(shù)設(shè)置

廣場位于小流域未設(shè)置水文觀測站，但有一個(gè)雨量站，保留觀測數(shù)據(jù)從1961年至今。根據(jù)水利水電水文工程相關(guān)規(guī)范并結(jié)合該河已有干流綜合整治工程中計(jì)算結(jié)果，推求廣場上下游設(shè)計(jì)洪水和設(shè)計(jì)水位。百年一遇工況下(該河防洪標(biāo)準(zhǔn)為P=1%)，上游邊界條件為設(shè)計(jì)流量493.3 m3/s，下游邊界條件為設(shè)計(jì)洪水位38.63 m。為滿足模型穩(wěn)定啟動，初始條件設(shè)定值與洪水位相近。經(jīng)驗(yàn)證模型的糙率值為0.0182。

圖2 計(jì)算網(wǎng)格示意

2.4 模型驗(yàn)證

二維模型驗(yàn)證水文條件選擇廣場上下游間隔100 m的5個(gè)斷面實(shí)測水位(見圖3所示)，與模擬結(jié)果比較進(jìn)行驗(yàn)證，水位對比見表1。

圖3 實(shí)測水位斷面示意

表1 二維模型水位與實(shí)測值 m

3 模型計(jì)算結(jié)果分析

3.1 壅水分析

為分析壅水變化，在廣場上下游布置了4個(gè)水位測量斷面(如圖4所示)，序號為1、2、3、4。此工程類似橋梁墩對水流的影響，根據(jù)張利[11]等學(xué)者的研究，建橋后橋上游水位產(chǎn)生壅水，橋下游水位產(chǎn)生跌水。但本工程在100年一遇的設(shè)計(jì)水位條件下：工程前后洪水水位略有降低(見表2)，其主要原因是雖然廣場工程支柱阻水面積為10.25 m2，但由于工程段岸坡開挖，河道內(nèi)右岸斷面面積工程后比工程前共增加了5.22 m2。因此工程處斷面水位最大降低值為0.03 m，其他斷面基本不變。結(jié)果表明在河道行洪時(shí)水位不會超過原設(shè)計(jì)河道洪水水位，滿足防洪度汛要求。

圖4 水位測量斷面示意

表2 工程前后洪水水位變化成果統(tǒng)計(jì) m

3.2 流向分析

在模型概化范圍內(nèi)均勻布置了40個(gè)流速采樣點(diǎn)(如圖5所示)，從相同位置支柱的工程前流場(見圖6)和工程后流場(見圖7)知，工程后流場相對于工程前流場流向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，角度在5°以內(nèi)，其原因是水流方向因廣場支柱的阻擋發(fā)生了偏轉(zhuǎn)。但流向改變影響范圍和偏轉(zhuǎn)角度僅存在于局部，不會對河道整體走向產(chǎn)生影響。整體看水流流向與河道岸坡平行且順直，在廣場支柱附近流向變化且在0.5 m范圍內(nèi)，研究區(qū)域?qū)φw河道影響有限，滿足水流與地方岸線平行要求。工程后全局流場如圖8所示。

3.3 流速分析

從工程前后流速等值線(見圖9)知，在100年一遇水文組合條件下，流速變化規(guī)律為：右岸工程樁基上下游一定范圍內(nèi)因受到廣場支柱阻礙流速整體減小，工程附近水域流速最大減小值為0.8 m/s。其河道左岸水域因過水?dāng)嗝鏈p小而有所增加，左岸流速增加為0.2 m/s，增加后流速最大值為3.5 m/s。原有河道護(hù)坡采用WE滲濾砌塊和六角生態(tài)砌塊，河底護(hù)角采用鋼筋石籠和大塊石護(hù)腳。根據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》[12]岸坡能抵抗洪水沖刷。流速變化對河道岸坡影響產(chǎn)生的沖刷強(qiáng)度有限。

圖5 流速采樣點(diǎn)示意

圖6工程前流場示意

圖7 工程后流場示意

圖8 工程后全局流場示意

圖9 工程前后流速等值線示意(m/s)

3.4 水動力軸線分析

由工程前后的水流動力軸線(見圖10)知，從橫向看，水動力軸線相對于工程建設(shè)前略微向河道左岸產(chǎn)生了偏移，偏移量約為2 m，占河道總寬的0.04，且河道底部經(jīng)整治后為近似水平，無需對岸坡進(jìn)行特殊處理。從縱向看，水動力軸線偏移位置僅發(fā)生在工程建設(shè)附近，在工程建設(shè)上游和下游水動力軸線均未發(fā)生明顯偏移。沖淤現(xiàn)象因流速變化小而不明顯。

圖10 工程前后水動力軸線示意

4 結(jié)語

本文通過建立某親水廣場平面二維水流數(shù)學(xué)模型，經(jīng)驗(yàn)證模型能夠模擬分析新建親水廣場對河道水流的影響。總體而言，二維數(shù)學(xué)模型能較準(zhǔn)確模擬工程，模擬結(jié)果顯示廣場樁柱修建不會對河道產(chǎn)生較大影響，僅在局部范圍內(nèi)發(fā)生變化，符合河道防洪安全標(biāo)準(zhǔn)。