劉穎婧

（上海市城市建設(shè)設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海 200125）

城市化的快速發(fā)展使得城市的排澇能力受到制約與限制[1]，全球氣候變暖的趨勢也促使暴雨洪水事件頻繁發(fā)生[2]，這些不利因素的加劇都對河道護(hù)岸工程的設(shè)計(jì)提出了更高的要求。護(hù)岸工程的規(guī)劃設(shè)計(jì)中有若干與河道防洪排澇安全密切相關(guān)的關(guān)鍵性要素，如規(guī)劃河道斷面尺寸、規(guī)劃堤頂高程等[3]。這些要素值的合理與否對于河道在工程建成后運(yùn)行使用期間是否能夠滿足區(qū)域的防洪排澇要求至關(guān)重要。

河道水力計(jì)算與水文計(jì)算分析是護(hù)岸工程水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[4-5]，對于護(hù)岸工程規(guī)劃河道斷面尺寸及堤頂高程的確定有著重要影響，直接關(guān)系到生態(tài)護(hù)岸工程的防洪、生態(tài)與經(jīng)濟(jì)效益[6]。傳統(tǒng)計(jì)算方法已經(jīng)較難滿足工程設(shè)計(jì)的實(shí)際要求。數(shù)值模擬技術(shù)則具有成本低，效率高，可綜合考慮水體、水工建筑物、考慮多種設(shè)計(jì)工況及設(shè)計(jì)條件的優(yōu)勢，能夠?qū)⒐こ谭秶鷥?nèi)涉水的各項(xiàng)工程同時(shí)考慮進(jìn)來，幫助設(shè)計(jì)人員系統(tǒng)全面地了解工程區(qū)域河網(wǎng)水系的各項(xiàng)特征要素，為工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)的高效性與準(zhǔn)確性提供更大的支持。因此，建立工程區(qū)域的河網(wǎng)水系水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型對工程建設(shè)后區(qū)域河湖的流場及水位情況進(jìn)行模擬、預(yù)演和研究是非常有必要的，對于合理確定區(qū)域內(nèi)規(guī)劃河道的設(shè)計(jì)方案具有重要作用和意義。

1 工程概況

南昌高鐵東站作為未來南昌的城市核心區(qū)域，區(qū)位重要，人員密集，暴雨條件下排澇壓力巨大，其現(xiàn)狀河道規(guī)模亟待提升。南昌東站片區(qū)水系規(guī)劃總體布局框架為“一湖、三河、多渠”。其中，“一湖”指的是水鏡湖；“三河”指的是東站河、天祥河、謝埠河；“多渠”指的是總干渠、六干渠、四干渠、連通渠、昌東三路渠。根據(jù)規(guī)劃，在上述河網(wǎng)水系中，總干渠、六干渠、四干渠、連通渠為灌溉渠，屬于高水系統(tǒng)，其余規(guī)劃河道則屬于低水系統(tǒng)。

本工程中天祥河、謝埠河是高鐵東站新區(qū)的排澇主通道，目前，高鐵東站新區(qū)主要市政路網(wǎng)正在加緊建設(shè)中，區(qū)內(nèi)沿線地塊現(xiàn)狀沒有明渠或湖泊等較大容積的系統(tǒng)的調(diào)蓄水系，本工程水系作為區(qū)域的主要排水通道，若不同步建設(shè)，雨季下暴雨時(shí)，雨水勢必在地面漫流，積水、內(nèi)澇嚴(yán)重。隨著高鐵新區(qū)開發(fā)廣度和深度的不斷加大，解決這一問題日益成為一個(gè)迫切的要求。因此，須以河道水力計(jì)算為基礎(chǔ)[1]，對工程區(qū)域進(jìn)行規(guī)劃河網(wǎng)水系河道整治護(hù)岸工程的合理設(shè)計(jì)，筑牢護(hù)岸以提升區(qū)域的防洪排澇能力。

本文以南昌高鐵東站規(guī)劃河網(wǎng)水系為例，研究水動(dòng)力模型Delft 3D Flexible Mesh 在規(guī)劃河網(wǎng)水系河道整治護(hù)岸工程中的應(yīng)用。

圖1 南昌高鐵東站規(guī)劃河網(wǎng)水系示意圖

2 模型建立

2.1.1 護(hù)岸工程方案設(shè)計(jì)

生態(tài)護(hù)岸就是將植物等環(huán)境友好的自然材料引入其中，在維護(hù)岸坡足夠強(qiáng)度的同時(shí)，能保持良好生態(tài)環(huán)境的護(hù)岸型式[7-8]，本護(hù)岸工程河道斷面型式為復(fù)合梯形斷面，采用生態(tài)性較好的“仿木樁擋墻或漿砌石擋墻+植草緩坡”的結(jié)構(gòu)形式，該形式抗沖刷性好且生態(tài)性景觀性較好，擋墻后可設(shè)置觀景步道，以達(dá)到親水樂水的效果。

擋墻前設(shè)置水生植物種植平臺(tái)，配置陸域及水生植物種植后營造水岸聯(lián)動(dòng)，融合共生的生態(tài)景觀濕地效果，斷面形式如下圖所示。

圖2 護(hù)岸工程斷面設(shè)計(jì)方案示意圖

2.1.2 模型邊界條件及基本參數(shù)設(shè)置

本模型為二維數(shù)學(xué)模型，考慮垂向平均，采用大地坐標(biāo)，85 高程，投影系為北京54 坐標(biāo)系。

模型投影中央經(jīng)度為117°E，考慮科氏力的作用，模型緯度為28.15°N。

入流邊界為50年一遇設(shè)計(jì)暴雨工況下的流量控制，出流邊界為50 年一遇設(shè)計(jì)暴雨工況下的水位控制。

河床糙率（曼寧系數(shù)表示）根據(jù)過往相關(guān)工程項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)設(shè)為0.023。

計(jì)算時(shí)間步長為30s，結(jié)果輸出時(shí)間步長為1h。

3 模型計(jì)算結(jié)果分析研究

工程區(qū)域分為高水系統(tǒng)與低水系統(tǒng)，低水系統(tǒng)在50 年一遇暴雨工況下是允許淹沒其兩側(cè)綠廊承擔(dān)泄洪任務(wù)的，因此對于低水系統(tǒng)而言，堤頂高程可以低于50 年一遇的設(shè)計(jì)洪水位；而高水系統(tǒng)則是由區(qū)域內(nèi)多條灌溉渠所組成，河道兩岸后方是廣闊的農(nóng)田，若被洪水淹沒，會(huì)產(chǎn)生較大的損失，因而對于高水系統(tǒng)而言，河道整治工程設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)期目標(biāo)是希望河道護(hù)岸的堤頂高程能夠保證灌溉渠兩側(cè)農(nóng)田在50 年一遇設(shè)計(jì)洪水位的情況下不被淹沒，即高水系統(tǒng)河道護(hù)岸工程的堤頂高程要高于50 年一遇的設(shè)計(jì)洪水位。

對高水系統(tǒng)內(nèi)各規(guī)劃河道在50 年一遇暴雨工況下的水位數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行整理分析，如表1 所示。

表1 高水系統(tǒng)各規(guī)劃河道最高水位計(jì)算成果匯總表

由上表可知，在50 年一遇設(shè)計(jì)暴雨工況下，工程區(qū)域內(nèi)各高水系統(tǒng)規(guī)劃河道的水位模擬結(jié)果均較上位規(guī)劃最高水位有15～40cm 左右的提高，說明在50 年一遇暴雨情況下，高水系統(tǒng)各規(guī)劃河道內(nèi)的水位雍高現(xiàn)象十分嚴(yán)重。將模型計(jì)算水位結(jié)果與目前設(shè)計(jì)護(hù)岸工程方案中高水系統(tǒng)各規(guī)劃河道的設(shè)計(jì)堤頂高程進(jìn)行對比分析，如表2 所示。

表2 50 年一遇設(shè)計(jì)暴雨工況下高水系統(tǒng)各規(guī)劃河道最高水位與設(shè)計(jì)堤頂高程對比表

由上表可知，在50 年一遇設(shè)計(jì)暴雨的工況下總干渠河道的水位值要高于水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案中總干渠的設(shè)計(jì)堤頂高程，對河道的防洪安全存在不利影響。為解決上述問題，結(jié)合數(shù)模結(jié)果建議對總干渠的堤頂高程在現(xiàn)狀設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上再做一定的加高處理，使得上述河道在遭遇50 年一遇設(shè)計(jì)暴雨時(shí)的河道水體不會(huì)溢出河道外，以保證防洪安全。

4 結(jié)論

本文以南昌高鐵東站規(guī)劃河網(wǎng)水系為例，采用Delft 3D Flexible Mesh 水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型，將工程地塊的河網(wǎng)水系規(guī)劃河道地形依據(jù)上位規(guī)劃給出的規(guī)劃河道控制要素及規(guī)劃河道設(shè)計(jì)單位給出的規(guī)劃河道護(hù)岸斷面方案及高程方案在模型中進(jìn)行細(xì)致構(gòu)造，通過建立水動(dòng)力模型進(jìn)行規(guī)劃河網(wǎng)水系的水力計(jì)算，并利用模型分析工程實(shí)施后的效果，發(fā)現(xiàn)在50 年一遇設(shè)計(jì)暴雨的工況下總干渠河道的水位值要高于水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案中總干渠的設(shè)計(jì)堤頂高程，對河道的防洪安全將存在不利影響，計(jì)算結(jié)果為進(jìn)一步優(yōu)化河道護(hù)岸工程的設(shè)計(jì)方案提供了依據(jù)，對于合理確定區(qū)域內(nèi)規(guī)劃河道的設(shè)計(jì)方案具有重要作用和意義。