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        基于MIKE21、HEC- RAS 及經(jīng)驗(yàn)公式的橋梁壅水模擬及對(duì)比分析

        2022-11-24 03:58:46孟如真王志華
        城市道橋與防洪 2022年10期
        關(guān)鍵詞:模型

        孟如真,胡 陽,王志華,張 謐

        (1.中國市政工程西南設(shè)計(jì)研究總院有限公司,四川 成都 610084;2.四川省交通勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司,四川 成都 610017)

        0 引 言

        項(xiàng)目建設(shè)對(duì)河段行洪和河勢(shì)影響主要取決于上游來水、橋梁等涉河建筑的建設(shè)規(guī)模、河段兩岸地形地質(zhì)及其組成、河床組成和評(píng)價(jià)河段比降等因素。其中,最重要的因素是橋梁等涉河建筑物的影響[1]。在河道內(nèi)修建橋梁,橋梁橋墩(橋臺(tái))將占據(jù)河道一定的過水?dāng)嗝?,河道在修建橋墩(橋臺(tái))后過洪斷面面積減小,在建橋位置上游河道一定范圍內(nèi)將形成壅水,河段的洪水位及水流流態(tài)較修建橋梁前將發(fā)生改變。

        在已有的研究成果及工程實(shí)例中,橋梁壅水計(jì)算通常采用經(jīng)驗(yàn)公式法,如采用《鐵路工程水文勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10017-1999) 中的經(jīng)驗(yàn)公式、D’Aubuisson 公式、Henderson 公式、鐵科院陸浩公式等[2]。采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算時(shí),公式中參數(shù)的取值多依賴于工程經(jīng)驗(yàn),且公式計(jì)算繁瑣,有的經(jīng)驗(yàn)公式為了方便簡化計(jì)算,往往會(huì)對(duì)影響水流的因素進(jìn)行簡化或忽略,成果與實(shí)際往往相差較大。每種經(jīng)驗(yàn)公式的使用范圍及考慮因素各不相同,因此在使用過程中具有一定的局限性。

        本文以平橋河(桃花溪一級(jí)支流、流江河二級(jí)支流、渠江三級(jí)支流)河道內(nèi)鎮(zhèn)巴至廣安高速公路渠縣北互通立交連接線2 號(hào)大橋(以下簡稱“2 號(hào)大橋”)為例,通過采用MIKE21 FM 和HRC-RAS 模型分別建模,進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算,模擬出建橋前后不同工況下上游河道的水流流場(chǎng)變化,并將兩種模型成果和經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算成果進(jìn)行比較分析,為實(shí)際橋梁工程設(shè)計(jì)及河道沿岸洪泛區(qū)防洪減災(zāi)提供參考。

        1 研究區(qū)域工程概況

        2 號(hào)大橋位于達(dá)州市渠縣渠北鎮(zhèn)白馬村,跨越平橋河。橋梁參數(shù)見表1 所列,圖1 為項(xiàng)目流域概況及地理位置示意圖,圖2 為工程河段航拍圖。

        圖1 項(xiàng)目流域概況及地理位置示意圖

        圖2 工程河段航拍圖

        表1 橋梁參數(shù)表

        2 MIKE21 FM 模型

        2.1 計(jì)算原理

        MIKE21 是由丹麥水力研究所(Denmark Hydraulic Institute)開發(fā)的二維數(shù)值模型,包含多個(gè)模塊,如水動(dòng)力、對(duì)流擴(kuò)散、水質(zhì)、泥沙等。本文采用MIKE21 FM 水動(dòng)力模型軟件模塊進(jìn)行模擬計(jì)算。該模型基于三向不可壓縮和Reynolds 值均布的Navier-Stokes 方程,并服從于Boussinesq 假定和靜水壓力的假定。

        連續(xù)方程:

        2.2 計(jì)算區(qū)域及網(wǎng)格生成

        綜合考慮研究區(qū)域水文、河勢(shì)及自然條件等因素,分別選取橋址上游1 km 和下游0.45 km 區(qū)域作為計(jì)算區(qū)域,2 a 一遇時(shí)河道平均寬度約53 m。河道內(nèi)控制三角形網(wǎng)格邊長為15 m,橋墩附近位置控制三角形網(wǎng)格邊長為7.5 m。運(yùn)用平面二維水動(dòng)力數(shù)值模型MIKE21 FM 模擬形成的計(jì)算網(wǎng)格如圖3 所示。

        圖3 計(jì)算網(wǎng)格

        2.3 模型驗(yàn)證

        采用2021 年8 月橋位處的實(shí)測(cè)流量(102 m3/s)和水位數(shù)據(jù)進(jìn)行模型驗(yàn)證,主槽河床糙率取0.035~0.040,灘地河床糙率取0.04~0.045。模型中橋位處的計(jì)算水位與實(shí)測(cè)水位對(duì)比見表2 所列,計(jì)算水位與實(shí)測(cè)水位差值僅為0.02 m,說明所建模型能夠較好地反映河道地形,模型結(jié)果可信度較高。

        表2 MIKE21 FM 模型驗(yàn)證成果表

        2.4 模型應(yīng)用

        2.4.1 邊界條件及計(jì)算工況

        該模型共采用3 種計(jì)算工況,見表3 所列,設(shè)計(jì)洪水根據(jù)《四川省中小流域暴雨洪水計(jì)算手冊(cè)(1984年)》進(jìn)行計(jì)算。為了詳細(xì)探究橋區(qū)河段流場(chǎng)特性,在橋軸線上游30 m 范圍內(nèi)共布設(shè)了15 個(gè)監(jiān)控點(diǎn)以分析建橋?qū)α鲌?chǎng)的影響,測(cè)點(diǎn)布置見圖4 所示。測(cè)點(diǎn)布設(shè)于涉水的8#~10# 橋墩之間,縱向間距10 m,橫向間距20 m。此外,在橋軸線上游60 m、90 m、120 m的主河槽位置共布設(shè)了3 個(gè)測(cè)點(diǎn),以研究建橋?qū)α鲌?chǎng)的影響范圍。

        圖4 橋區(qū)測(cè)點(diǎn)分布圖

        表3 計(jì)算工況表

        2.4.2 計(jì)算成果分析

        不同頻率洪水下,橋區(qū)水流計(jì)算成果如表4~表7 所列、圖5~圖7 所示。

        圖5 各工況水位壅高統(tǒng)計(jì)圖

        圖6 各工況流速增加值統(tǒng)計(jì)圖

        圖7 各工況夾角變化值統(tǒng)計(jì)圖

        表4 數(shù)值模擬計(jì)算成果表(工況1,P=5%)

        表5 數(shù)值模擬計(jì)算成果表(工況2,P=10%)

        表6 數(shù)值模擬計(jì)算成果表(工況3,P=50%)

        表7 16#~18# 測(cè)點(diǎn)水流計(jì)算成果表(P=5%)

        從計(jì)算結(jié)果中可以分析得出,建橋后:

        (1)除了工況2 的2 號(hào)測(cè)點(diǎn)外,其余測(cè)點(diǎn)的水位均出現(xiàn)壅高,說明建橋?qū)?huì)在橋位上游一定范圍內(nèi)產(chǎn)生普遍的水位壅高。

        (2)除工況2 的測(cè)點(diǎn)2、工況2 和工況3 的測(cè)點(diǎn)3 外,其余各測(cè)點(diǎn)的水位壅高值變化均不大。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可能是,在工況2 的測(cè)點(diǎn)2、工況2 和工況3 的測(cè)點(diǎn)3 處,水深較小(均<1 m),受河床地形的影響較大,因此水位壅高變幅較大。工況1 各測(cè)點(diǎn)的水位壅高為0.014~0.020 m,變幅極小,其原因是工況1 時(shí)水深較大,受河床地形的影響較小,水位壅高趨于穩(wěn)定。

        (3)雖然各測(cè)點(diǎn)流速的變化有增有減,但工況1、2、3 的流速平均增加值分別為0.00 m/s、0.02 m/s、0.03 m/s,說明受到橋墩的阻水影響,流速增加值總體呈增大趨勢(shì),流量越小,流速增加值越大。與水位壅高同理,工況1 各測(cè)點(diǎn)的流速增加值變幅較小,而工況2、工況3 變幅較大。

        (4)工況1、2、3 的夾角平均變化值均較小,分別為0.30°、-0.36°、-0.35°。與水位壅高同理,靠岸側(cè)測(cè)點(diǎn)的水深較小,其夾角變化值較其他測(cè)點(diǎn)更大。

        (5)16#~18# 測(cè)點(diǎn)距離橋位較遠(yuǎn),流速和流向變化極小,說明建橋?qū)α魉俸土飨虻挠绊憙H局限于一定范圍內(nèi);但水位仍有壅高,這是由于橋區(qū)河段的洪水比降較?。ń?jīng)計(jì)算為0.56‰),產(chǎn)生的壅水長度較大。

        3 HEC-RAS 模型

        3.1 計(jì)算原理

        HEC-RAS 是由美國陸軍總隊(duì)水文工程中心開發(fā)的,是基于水文學(xué)及水力學(xué)原理的水面線計(jì)算軟件。其計(jì)算原理是采用標(biāo)準(zhǔn)逐步遞推法求解一維能量方程式??捎糜谘芯亢拥婪€(wěn)定和非穩(wěn)定流的一維水力計(jì)算[3]。本文中所需進(jìn)行計(jì)算的橋梁位置處河段穩(wěn)定,河勢(shì)平穩(wěn),無較大的孤石,因此可將洪峰流量作為恒定流進(jìn)行計(jì)算。其穩(wěn)定流模型計(jì)算遵循能量方程如下:

        式中:Z1、Z2為上下游斷面河底高程,m;Y1、Y2為上下游斷面河道水深,m;v1、v2為上下游斷面平均流速,m/s;α1、α2為動(dòng)能校正系數(shù);g 為重力加速度;he為上下游斷面之間能量損失,包含沿程水頭損失hf和局部水頭損失hj,以及由于工程(橋梁橋墩)阻水造成的水頭損失;Sf為上下游斷面之間沿程水頭損失梯度;L 為上下游斷面平均距離,m;C 為斷面擴(kuò)張或收縮系數(shù)。

        3.2 計(jì)算區(qū)域及模型驗(yàn)證

        HEC-RAS 模型分別選取橋址上游20 m 和下游450 m 區(qū)域作為計(jì)算區(qū)域,共布置8 個(gè)計(jì)算斷面(見圖8)。

        圖8 橋區(qū)測(cè)點(diǎn)分布圖

        計(jì)算工況同2.4.1 節(jié)。采用2021 年8 月橋位處的實(shí)測(cè)流量(102 m3/s)和水位數(shù)據(jù)進(jìn)行模型驗(yàn)證,主槽河床糙率取0.04~0.05,灘地河床糙率取0.05~0.07。模型中橋位處的計(jì)算水位與實(shí)測(cè)水位對(duì)比見表8 所列,計(jì)算水位與實(shí)測(cè)水位差值僅為0.04 m,說明所建模型能夠較好地反映河道地形,模型結(jié)果可信度較高。

        表8 HEC-RAS 模型驗(yàn)證成果表

        3.3 計(jì)算結(jié)果及對(duì)比分析

        HEC-RAS 模型只能計(jì)算得出水利要素在某一斷面的平均值,無法分析整個(gè)流場(chǎng)的數(shù)值變化。在河道地形復(fù)雜或是所在河道防洪標(biāo)準(zhǔn)較高時(shí),建議采用MIKE21 FM 模型進(jìn)行計(jì)算分析,并可采用HRC—RAS 模型計(jì)算作為驗(yàn)證。

        現(xiàn)將橋址上游20 m 處CS8 斷面的計(jì)算水位與MIKE21 FM 模型1#~15# 測(cè)點(diǎn)的計(jì)算水位平均值進(jìn)行對(duì)比分析,結(jié)果如表9 所列。

        表9 水位計(jì)算成果對(duì)比分析

        對(duì)以上兩種模型的分析結(jié)果對(duì)比可以看出:

        (1)當(dāng)流量較大時(shí)(工況1,P=5%),MIKE21 FM的計(jì)算水位小于HEC-RAS;當(dāng)流量較小時(shí)(工況3,P=50%),MIKE21 FM 的計(jì)算水位大于HEC-RAS。

        (2)HEC-RAS 模型的水位壅高值明顯小于MIKE21 FM,僅在工況3(P=50%)時(shí)產(chǎn)生了0.01 m的壅高。

        4 數(shù)值模擬計(jì)算成果與經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)比

        4.1 理論經(jīng)驗(yàn)公式

        現(xiàn)分別采用D’Aubuisson 公式和鐵科院陸浩公式對(duì)橋前壅水進(jìn)行計(jì)算,并將計(jì)算結(jié)果與數(shù)值模擬計(jì)算成果進(jìn)行對(duì)比分析。

        (1)鐵科院陸浩公式:式中:Kn為定床壅水系數(shù),與建橋前后橋下斷面流速變化有關(guān);KV為修正系數(shù),與建橋后橋下水流流態(tài)有關(guān);Um為橋下斷面平均流速,m/s;Uom為橋前斷面平均流速,m/s。

        (2)D’Aubuisson 公式:

        式中:ΔZM為橋前最大壅水高度,m;η 為隨河灘路堤阻擋的流量和設(shè)計(jì)流量的比值不同而選取的參數(shù)(可按《鐵路工程水文勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10017—1999)規(guī)范中表3.5.1-1 的規(guī)定取值);vˉ為天然狀態(tài)下斷面平均流速,m/s;vˉM為橋下平均流速。

        4.2 計(jì)算成果及對(duì)比分析(見表10、圖9)

        表10 壅水計(jì)算成果對(duì)比表

        圖9 壅水計(jì)算成果對(duì)比圖

        從對(duì)比成果可以看出:

        (1)采用理論經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算時(shí),流量越大,水位壅高值越大;采用模型計(jì)算時(shí),水位壅高值與流量關(guān)系不大。

        (2)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算簡單,未全面考慮河流流態(tài)、邊界條件、橋墩等諸多因素的影響,因此與模型計(jì)算成果差距較大。陸浩公式計(jì)算得到的壅高值偏大,D’Aubuisson 公式計(jì)算得到的壅高值偏小,此結(jié)論與任梅芳等的研究成果[4]相吻合。

        5 結(jié) 論

        通過MIKE21 FM 模型計(jì)算分析可知,該模型能夠較好地模擬復(fù)雜河道地形。在橋梁建設(shè)后,橋位上游一定范圍內(nèi)的水位均出現(xiàn)不同程度的壅高,各測(cè)點(diǎn)的水位壅高值分布在一定的區(qū)間內(nèi),相差不大;各工況的流速增加值與流量成負(fù)相關(guān);各測(cè)點(diǎn)的流向變化有正有負(fù),建橋?qū)α飨虻挠绊戄^小,各工況的流向平均變化值在±0.5°之內(nèi);橋位上游一定范圍外,流速和流向變化極小,但由于橋區(qū)河段的洪水比降較小,在橋位上游120 m 范圍內(nèi)均產(chǎn)生壅水。

        通過MIKE21 FM 模型與HEC-RAS 模型的對(duì)比分析可知,當(dāng)流量較大時(shí),前者計(jì)算水位小于后者;當(dāng)流量較小時(shí)則相反。此外,HEC-RAS 模型僅在小流量工況下產(chǎn)生了0.01 m 的壅高,明顯小于MIKE21 FM 模型。HEC-RAS 模型無法分析整個(gè)流場(chǎng)的數(shù)值變化,在河道地形復(fù)雜或是所在河道防洪標(biāo)準(zhǔn)較高時(shí),建議采用MIKE21 FM 模型進(jìn)行計(jì)算分析,并可采用HRC—RAS 模型計(jì)算作為驗(yàn)證。

        通過模型與壅水經(jīng)驗(yàn)公式的對(duì)比分析可知,采用理論經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算時(shí),流量與水位壅高呈正相關(guān);采用模型計(jì)算時(shí),水位壅高與流量無明顯相關(guān)關(guān)系。經(jīng)驗(yàn)公式與模型計(jì)算成果差距較大。陸浩公式計(jì)算得到的壅高值偏大,D’Aubuisson 公式計(jì)算得到的壅高值偏小。

        該項(xiàng)目中的2 號(hào)大橋阻水較小,本文所得出的結(jié)論均是在小阻水率情形下分析得到,且該項(xiàng)研究是在恒定流條件下進(jìn)行的。當(dāng)大橋阻水率較大或非恒定流條件下,尚需進(jìn)一步對(duì)比研究分析。

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