基于MIKE21的城市桥梁防洪影响分析研究.pdf
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1、研究探讨STUDIES AND DISCUSSIONS中国防汛抗旱CHINA FLOOD&DROUGHT MANAGEMENTOct.2023 NO.10 VOL.332023年10月 第10期 第33卷0 引言近年来,随着城市的发展,桥梁工程日益增多,新建城市桥梁附近河道的流势流态将产生局部变化,对河道行洪、河势和周围桥梁造成一定的影响,同时河道行洪也对桥梁本身的安全造成影响,因此,对城市桥梁建设的防洪影响分析十分必要。目前采用丹麦水利研究院(DHI)开发的 MIKE21 FM模型对桥梁工程进行水位和流场模拟已得到广泛应用1-3,且计算稳定性强和精确度高。本文以河北沧州黄骅市南排河桥为例,通
2、过建立二维数值模型,对建桥前后的水位和流场等进行模拟,为城市桥梁建设的防洪影响分析提供依据。1 基本原理MIKE21平面二维数学模型是以垂线平均的水流因素作为研究对象,对河段的平面水位、流场及河床细部的变化情况进行数值模拟计算。二维浅水控制方程组如下:ht+hu x+hv y=hS(1)hu t+hu 2x+hu 2y=fv h-ghx-h0Pax-gh220 x+SX0-bX0-1()Sxxx+Sxyx+x()hTxx+x()hTxy+huSS(2)hv t+hv 2x+hv 2y=fv h-ghy-h0Pay-gh220y+Sy0-by0-1()Syxy+Syyx+x()hTxy+y()h
3、Tyy+hvSS(3)式中:为水位,m;h为静止水深,m;u、v、w分别为流速在x、y、z方向上的分量,m/s;Pa为当地大气压,N/m2;为水密度,kg/m3;0为参考水密度,kg/m3;g为重力加速度,m/s2;f为Coriolis参量,f=2sin;为地球自转角速度,s-1;为地理维度,();Sxx、Sxy、Syx、Syy为辐射应力分量,m2/s2;基于MIKE21的城市桥梁防洪影响分析研究杜麦1陈小威2(1.石家庄丰水工程咨询有限公司,石家庄050000;2.宁夏水利水电勘测设计研究院有限公司河北分公司,石家庄050000)DOI:10.16867/j.issn.1673-9264.2
4、023034摘要:利用 MIKE21 FM 建立二维水动力模型,以河北沧州黄骅市南排河桥为例,对城市桥梁建设前后水位及流态进行模拟,同时采用两种方法进行桥梁壅水计算,由此分析桥梁建设对河道行洪及河势、第三方的影响和工程自身安全。结果表明,建立的二维模型较为精确,壅水成果合理,可作为桥梁建设防洪影响分析的依据;桥梁建设后桥梁上游水位壅高为0.0160.018 m,桥墩处平均流速增加0.05 m/s,桥梁梁底高程满足要求,工程自身安全,工程建设对河道行洪能力、河势和第三方等影响较小。关键词:MIKE21模型;城市桥梁;壅水;防洪影响分析;河北沧州黄骅市中图法分类号:TU279.7+2文献标识码:B
5、文章编号:1673-9264(2023)10-73-05杜麦,陈小威.基于MIKE21的城市桥梁防洪影响分析研究J.中国防汛抗旱,2023,33(10):73-77.DU Mai,CHEN Xiaowei.Analysis and research on flood impact of urban bridges based on MIKE21J.China Flood&Drought Management,2023,33(10):73-77.(in Chinese)收稿日期:2023-02-06第一作者信息:杜麦,女,工程师,硕士,E-mail:。73研究探讨STUDIES AND DISC
6、USSIONSCHINA FLOOD&DROUGHT MANAGEMENT中国防汛抗旱Oct.2023 NO.10 VOL.332023年10月 第10期 第33卷Txx、Txy、Tyy为水平黏滞应力项,m2/s;S为源汇项,m3/s;uS、vS为源汇项水流速度,m/s。2 研究概况以城市桥梁南排河桥为例,通过建立二维水动力模型模拟桥梁建设前后水位及流场变化情况,为桥梁防洪影响分析提供依据。南排河桥位于黄骅城区,于春熙体育公园附近跨越南排河,跨越位置处河道断面形式为复式断面,现状河道宽约220 m,主槽宽约128 m,深约7 m,河底为平坡。南排河桥设计桥梁与河道交角85,桥长220 m,跨度
7、组成1120 m,墩柱直径1.3 m,桩直径为1.4 m。3 模型构建3.1 计算范围本次计算区域的上边界选在南排河桥断面上游3 100 m处,下边界为扣村闸处,地形采用2021年12月实测地形,本次将桥墩概化为一个独立的剖分单元(Polygon),在桥墩周边区域的网格适当加密,计算域内共布设了28 763个三角形单元和15 563节点,1 226个水深点。3.2 相关参数模型相关系数参照相关经验选取,经过参数调试,确定相关参数如下:(1)防洪标准。根据 黑龙港运东地区防洪除涝规划,南排河排涝标准近期为10年一遇,远期为20年一遇。考虑南排河远期河道治理方案的不确定性,本次河道标准按近期为10
8、年一遇评价。桥梁标准根据 城市桥梁设计规范(CJJ 112011)按相交河道洪水频率取近期10年一遇,结构安全按100年一遇设计。(2)河床阻力。参考 水力计算手册,本次计算取河床阻力(Bed Resistance)为33 m1/3/s,并采用一维模型计算成果率定。将桥墩概化为一个独立的剖分单元后,建桥前桥墩区域按过水处理,河床阻力(Bed Resistance)为33 m1/3/s,建桥后桥墩部分不参与计算4。(3)动边界处理。采用干湿判别确定计算区域由于水位变化产生的动边界,干水深取0.01 m,洪水深取0.01 m,湿水深取0.1 m。(4)边界条件输入。上游边界为 10 年一遇洪峰流量
9、540 m3/s,下游边界取闸孔出流公式计算得出的扣村闸闸前水位5.39 m。3.3 模拟成果根据以上分析确定的河道有关计算条件,模拟建桥后桥墩处水位等值线图和流场图如图1和图2所示,建桥前后水位模拟成果表(由于篇幅限制,本次仅呈现部分成果)如表1所示。3.4 合理性分析由于本次计算区域内无南排河大洪水的实测资料,本次河槽糙率利用HEC-RAS一维水力模型模拟建桥前成果进行率定5,率定成果如下。由图3可知,二维模型成果与一维模型水面线成果基本一致,MIKE21 模拟流速成果较 HEC-RAS 成果较为偏大,但成果趋势基本一致,两种模型计算模拟结果相互吻合较好,因此选定的糙率合适,建立的二维模型
10、计算成果合理,模拟精度较为精确,可作为新建城市桥梁防洪影响分析的依据。6.0005.9926.0005.9845.9925.9765.9845.9685.9765.9605.9685.9525.9605.9445.9525.9365.9445.9285.9365.9205.9285.9125.9205.9045.9125.8965.9045.8885.8965.888地面高程/m图1 建桥后桥址处水位等值线示意图0.960.900.960.840.900.780.840.720.780.660.720.600.660.540.600.480.540.420.480.360.420.300.36
11、0.240.300.180.240.120.180.12速度/(ms-1)图2 建桥后桥址处流场示意图74研究探讨STUDIES AND DISCUSSIONS中国防汛抗旱CHINA FLOOD&DROUGHT MANAGEMENTOct.2023 NO.10 VOL.332023年10月 第10期 第33卷(a)水位02 0004 0006 0008 000 10 0005.35.45.55.65.75.85.96.06.16.2断面里程/m水位/mMIKE21成果HEC-RAS成果4 防洪影响分析4.1 布置分析新建桥梁采用全桥跨越方式跨越南排河,桥梁轴线与河道水流方向交角为85,同组桥墩
12、中心连线与水流方向平行,桥梁设计跨径为20 m,同时与上游桥梁并孔布置,发生10年一遇设计标准的洪水时,桥墩阻水比为6.38%,阻水比较小;桥长不小于河道上口宽。综上,桥梁布置基本合理。4.2 壅水分析桥前壅水直接关系到河道两岸的防洪安全及桥梁梁底是否安全6,通过常用的两种方法分析南排河桥前壅水情况。(1)计算方法。通过建立的二维数学模型分析建桥前后的水位变化7-9,表明桥址处的壅水高度。采用D Aubuisson公式计算,该公式结构简单,易于计算10,如下:ZM=()V2M-V2式中:ZM为桥前最大壅水高度,m;为计算系数,根据阻断流量和设计流量的比值取0.15;V为天然河道断面平均流速,为
13、0.75 m/s;VM为桥下平均流速,为0.80 m/s。(2)计算成果。根据计算两种方法成果较为相近,计算结果较为合理(表2)。南排河桥位于平原河道,水面比降较缓,为安全考虑,拟建桥梁最大壅水高度采用相对较大的数学模型成果即0.018 m11。拟建桥梁南排河桥计算方法数学模型成果D Aubuisson公式桥前最大壅水高度/m0.0180.012表1 建桥前后水位与流速成果表桩号0+0000+4960+7151+2191+3651+7222+7252+9413+0994+2294+3954+5124+610建桥前设计水位/m6.1126.0906.0746.0476.0456.0165.962
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