鄧海燕 李維碩 謝敬永 景曉林

（1.山東省水利勘測設計院有限公司，濟南 250000；2.山東建勘集團有限公司，濟南 250000；3.泗水縣水務局，濟寧 273200）

0 引 言

洪水災害是我國最頻繁的自然災害之一?！白匀?社會”二元水循環(huán)模式下，人類活動成為洪水致災的主要因素。隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展，越來越多的非防洪建設項目在河道管理范圍內修建，人水爭地導致行洪斷面壓縮束窄，蓄滯洪區(qū)萎縮，流態(tài)改變，這不僅影響工程本身安全，而且可能損害河道管理范圍內已建成的防洪工程體系[1-2]。隨著我國基礎建設能力的增強和物流運輸業(yè)的持續(xù)發(fā)展，跨河橋梁逐漸成為公路渡河的重要建筑物。因此通過建立完善的防洪評價制度，研究橋梁建設對河道行洪的影響以及河道水流對橋梁安全的影響，在前期設計階段提出工程建設的不利影響并及時提出補救措施，對提高跨河橋梁工程項目審批決策水平、防治水毀水災具有重要意義[3]。本文以新臺高速為例，采用目前國內外應用比較廣泛的MIKE21 軟件構建了跨韓莊運河處上下游平面二維水流數(shù)學模型，分析了建橋前后20 年一遇水位時橋址上下游各300 m 范圍內的流速、流向、水位分布，論證了跨河橋梁對韓莊運河的影響。

1 工程概況

新泰至臺兒莊（魯蘇界）高速公路（以下簡稱新臺高速），是山東省“九縱五橫一環(huán)七連”高速公路網(wǎng)規(guī)劃中的“縱五”無棣（魯冀界）-萊蕪-臺兒莊（魯蘇界）的重要組成部分，項目起自京滬高速與泰新高速交叉的新泰樞紐處，途經(jīng)泰安市新泰市，臨沂市蒙陰縣、平邑縣，棗莊市山亭區(qū)、市中區(qū)、嶧城區(qū)、臺兒莊區(qū)等7個縣（區(qū)、市），止于棗莊市臺兒莊區(qū)馬蘭屯鎮(zhèn)附近的X017 臺韓線，路線全長155.945 km，公路采用雙向四車道高速公路標準建設，路基寬度27 m，設計速度120 km/h。新泰至臺兒莊公路工程是介于京滬、京臺高速間的快速通道，項目建成后，對于完善沿線各地高速公路網(wǎng)絡，提高交通通行能力，優(yōu)化和改善投資環(huán)境，加快沿線經(jīng)濟社會發(fā)展，推動交通基礎設施、能源、物流、金融、信息、文化旅游等產業(yè)發(fā)展，加快實施新舊動能轉換重大工程，全面建成小康社會，都具有十分重要的意義。新臺高速跨韓莊運河位置示意圖見圖1。

圖1 新臺高速跨韓莊運河位置示意圖

新臺高速沿線跨越河流眾多，其中韓莊運河屬淮河流域沂、沭、泗水系，東鄰沂河流域，西接南四湖，北靠泰沂山區(qū)，南與蘇北搭界。它除承泄南四湖流域山東、江蘇、安徽、河南4 省8 個地（市）34 個縣（區(qū)、市）31 700 km2的洪澇水外，兼排韓莊以下區(qū)間1 828 km2的來水，省界處匯水面積為33 528 km2[4]。

2 基礎資料

（1）地形資料。分析范圍內韓莊運河橫斷面資料，1∶10 000實測地形圖資料。

（2）河道指標。韓莊出口20年一遇下泄流量4 000 m3/s，萬年閘閘下水位32.19 m，臺兒莊閘上水位30.07 m，萬年閘下3 km、臺兒莊閘上13.7 km處20年一遇水位為31.81 m。

（3）公路橋梁設計資料。

3 模型建立

3.1 模型選擇

新臺高速跨越處韓莊運河水面寬度遠大于水深，水流流速沿水深方向變化不大，屬于寬淺型河道，為了準確反映擬建橋梁工程前后20年一遇水位時橋址上下游各300 m范圍內的流速、流向、水位分布，論證跨河橋梁對韓莊運河的影響，本次采用沿垂向平均的平面二維水流數(shù)學模型MIKE21進行模擬分析。

MIKE21 模型是丹麥水力學研究所（DHI）開發(fā)的二維數(shù)學模擬軟件，廣泛應用于國內外水動力模擬當中，是目前國際上較為先進的模型之一。

模型采用的基本計算方程為：

（1）水流連續(xù)方程：

（2）水流運動方程：

式中：x、y、t分別為空間、時間坐標；z為水位，m；h為水深，m；u、v分別為垂線平均流速在x、y方向的分量，m/s；M、N分別為單寬流量在x、y方向的分量，m2/s，M=hu，N=hv；n為曼寧糙率系數(shù)；C為謝才系數(shù)；vt為紊動黏性系數(shù)；g為重力加速度。

3.2 模型建立

（1）模擬范圍。根據(jù)工程設計方案，綜合考慮擬建工程所在河段的河勢、工程可能影響范圍等因素，選擇跨越點上游約6 km 至下游約4 km 之間的河道作為模擬區(qū)域，全長約10 km，河底寬130 m。

（2）網(wǎng)格剖分。采用三角形網(wǎng)格對模擬區(qū)域進行剖分，綜合考慮模擬區(qū)域面積、模擬精度、計算時間等因素，本次共劃分網(wǎng)格65 632個，節(jié)點33 591個。

（3）地物處理。擬建工程上游約1.5 km處為馬蘭大橋。對于橋墩，由于其水平尺度較模型計算用的網(wǎng)格尺度小很多，在模型中采用piers模塊進行設置。

（4）地形插值。模擬范圍內高程散點由1∶10 000 實測地形圖提取。插值后的地形見圖2。

圖2 工程所在區(qū)域地形

（5）糙率選取。根據(jù)《水力學手冊》[5]，對子槽和灘地設定不同的糙率。結合《韓莊運河（湖口-臺兒莊）續(xù)建工程初步設計報告》[6]，最終選取子槽n=0.025；邊灘n=0.04。

（6）邊界條件。以擬建工程下游約4 km 處為模型下邊界，給定起推水位，該水位由規(guī)劃成果中的水位線性插值而來，為30.43 m。以擬建工程上游約6 km 處為模型上邊界，將模型上邊界設定為流量邊界，給定20年一遇設計流量，即4 000 m3/s。

4 模擬結果及影響分析

4.1 水位成果及分析

20年一遇標準洪水時建橋前后局部水位等值線圖見圖3。

圖3 水位等值線圖

4.1.1 縱向水面線

取韓莊運河設計中心線為剖面線，提取該剖面上各點的水位，對擬建工程修建前、后的水流狀態(tài)進行比較分析。縱向水位變化對比如圖4所示。

圖4 20年一遇洪水時工程前后水面線成果對比

工程實施前，擬建工程上下游300 m 范圍內水位為31.041～30.955 m，橋址處水位為30.998 m；工程實施后，跨越處上游附近，水面出現(xiàn)了一定幅度的壅高，最大壅高值0.002 m，壅水范圍約250 m，跨越河段下游，河道水位出現(xiàn)了極小幅度下降，但影響極其有限。工程修建前后，水面線趨勢相差不大。

4.1.2 典型斷面水位對比

為更好地分析工程修建對河道水位的影響，選取工程所在斷面上、下游0 m、100 m、300 m 處的斷面作為典型斷面，提取工程實施前后的水位進行分析。

建橋前后，20年一遇標準洪水下各斷面水位對比見圖5。

圖5 典型斷面工程實施前后水位對比圖

由典型斷面水位對比圖可以看出，工程對河道水位的影響主要集中在工程上游約250 m范圍內，水位略有增加，但增幅較小。

4.2 流速流向成果及分析

（1）工程前后流速分布。工程實施前，擬建工程上下游300 m 范圍內主槽流速一般在1.1～2.1 m/s，灘地流速在0.15～0.80 m/s。工程實施后，工程所在河段上下游300 m范圍內流速變化較小，上游略有降低，下游略有增加。擬建工程整體對河道流速影響較小。建橋前后流速等值線圖見圖6。

圖6 流速等值線圖

（2）工程前后流向分布。工程實施前，擬建工程上下游300 m范圍內韓莊運河流向均為東南方向，根據(jù)河道走向及局部地形情況，橋址處上游水流流向與正東方向夾角比下游偏?。还こ虒嵤┖?，擬建工程對流向影響不大，擬建工程上下游300 m范圍內流向最大改變量不超過2°。擬建橋梁工程對河道流向基本無影響。工程前后局部流向圖見圖7。

圖7 局部流向圖

（3）典型斷面流速對比為更好地分析工程修建對河道流速的影響，選取工程所在斷面上、下游0 m、100 m、300 m處的斷面作為典型斷面，提取工程前后的流速進行分析。

建橋前后20年一遇標準洪水下各斷面流速對比見圖8。

圖8 典型斷面工程實施前后流速對比圖

由典型斷面流速對比圖可以看出，擬建橋型方案對河道內水流的影響主要集中在橋區(qū)附近，上游100 m范圍內，流速略有減小，但變化微小，最大減小量為0.026 m/s；下游200 m 范圍內，流速略有增加，最大增加量為0.074 m/s，變化較大的地方主要集中在灘地。

通過分析新臺高速對韓莊運河水位、流速及流向的影響可知，擬建工程上下游300 m范圍內工程實施前后水位、流速及流向變化較小。因此，擬建橋梁工程對韓莊運河水位、流速及流向影響很小，究其原因主要是韓莊運河比較寬，而且擬建橋梁未占用主河槽。

5 結 語

本次構建了新臺高速跨韓莊運河處上下游平面二維水流數(shù)學模型，分析了建橋前后20年一遇水位時橋址上下游各300 m范圍內流速、流向、水位分布，論證了跨河橋梁工程對韓莊運河的影響。根據(jù)模擬結果，擬建橋梁工程對韓莊運河水位、流速及流向影響很小。

本次模擬對工程的審批決策具有重要的指導意義，同時也為降低河道防洪風險提供了技術支撐。