殷 源
(深圳市水務(wù)規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司,廣東 深圳 518000)
城市規(guī)劃路網(wǎng)縱橫交錯(cuò),跨河橋梁將城市河流分隔成無數(shù)河段,大橋跨大河的建設(shè)一般需在河道行洪斷面內(nèi)設(shè)置多排橋墩,占用河道行洪空間,產(chǎn)生壅水影響[1- 3],降低河道防洪標(biāo)準(zhǔn),并可能影響區(qū)域雨水排放,加劇城市內(nèi)澇。因此,跨河橋梁建設(shè)的洪水影響分析始終是工程建設(shè)的一項(xiàng)關(guān)鍵內(nèi)容[4- 5]。
目前國內(nèi)部分學(xué)者通過數(shù)值模型和機(jī)器學(xué)習(xí)等方法對(duì)城市內(nèi)澇模擬進(jìn)行了相關(guān)研究。李子鈺等[6]基于Mike Urban軟件建立城市內(nèi)澇模型,對(duì)廣州市花都區(qū)不同降雨情景下的內(nèi)澇分布情況、易澇點(diǎn)積水時(shí)間以及最大積水深度進(jìn)行模擬;房亞軍等[7]結(jié)合高精度地形數(shù)據(jù)和降雨、徑流實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),采用SWMM雨洪模型模擬暴雨條件下海綿城市的產(chǎn)流;劉媛媛等[8]將具有良好計(jì)算精度數(shù)值模型與具有較高計(jì)算效率的BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型相結(jié)合,提出了一種快速預(yù)測(cè)城市內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)的新方法;陳光照[9]數(shù)值模型采用了高分辨率DEM地形數(shù)據(jù)表征復(fù)雜的城市地表形態(tài),引入了GPU并行加速計(jì)算技術(shù)實(shí)現(xiàn)在不降低計(jì)算精度的條件下大幅提升計(jì)算效率;徐美等[10]以中國北京市城區(qū)為例,通過城區(qū)精細(xì)化洪澇模型對(duì)多種降雨條件下的暴雨情景進(jìn)行模擬與分析,構(gòu)建了北京城區(qū)的暴雨-內(nèi)澇情景庫;楊東等[11]基于擴(kuò)散波方法,構(gòu)建了一套排水管網(wǎng)水動(dòng)力模型,并與已開發(fā)的高分辨率城市地表水文水動(dòng)力模型進(jìn)行了耦合。此外該團(tuán)隊(duì)還提出了雨水井等效排水法(RIA)和僅在道路上等效排水法(CIR)兩種表征管網(wǎng)排水能力的方法,采用高效高分辨率的城市雨洪模型,以西咸新區(qū)為研究區(qū)域,模擬了城市內(nèi)澇積水過程,并與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比[12]。此外,還有部分學(xué)者對(duì)城市內(nèi)澇策略和預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行了相關(guān)研究[13- 14]。
本文運(yùn)用Mike 11一維模型及Mike 21二維模型,模擬了赤石河200年一遇洪水工況下建橋前后河道水流水位、流速及流向的變化,為水行政主管部門審批橋梁建設(shè)方案提供了依據(jù),降低工程成本。研究結(jié)果可為相關(guān)工程提供參考。
赤石河,又名鳳河,是深汕特別合作區(qū)內(nèi)的第一大河流,發(fā)源于海拔高1256m的白馬山峰,由大安村、碗窯村流經(jīng)赤石村、新城村與明熱河匯集經(jīng)三江樓、新聯(lián)江頭村灣再經(jīng)園墩林場(chǎng)、鵝埠境、小漠境而流入紅海灣。赤石河流域面積為382km2,河流長度為36.75km,平均坡降5.21%。目前,深汕特別合作區(qū)正處于高速建設(shè)發(fā)展階段,規(guī)劃市政道路建設(shè)在合作區(qū)全面鋪開。由于合作區(qū)防洪潮規(guī)劃及河道整治規(guī)劃相對(duì)滯后,大部分河道都屬于天然河道,赤石河現(xiàn)狀防洪標(biāo)準(zhǔn)僅20~50年一遇。如何減輕或避免橋梁建設(shè)對(duì)河道防洪的影響,平衡城市防洪建設(shè)空間與城市道路建設(shè)空間,為城市建設(shè)預(yù)留足夠防洪空間,成為涉河橋梁工程建設(shè)項(xiàng)目工作的重點(diǎn)。因此,高精度的完成擬建復(fù)雜跨河橋梁工程對(duì)河道的防洪影響分析尤為重要。赤石河流域水系分布如圖1所示。
圖1 赤石河流域水系分布圖
深汕特別合作區(qū)宜城大道(深汕大道至創(chuàng)智路)建設(shè)工程,主線全長7.075km,規(guī)劃為城市主干路,車道數(shù)為雙向8車道,設(shè)計(jì)速度60km/h。本工程在河道樁號(hào)14+810處跨越赤石河,設(shè)計(jì)為宜城大橋上跨,擬建橋梁處現(xiàn)狀河道寬度70m,規(guī)劃河寬80m。宜城大橋橋梁與河道水流交角60°,行洪斷面內(nèi)布置兩排橋墩,橋墩軸線方向與河道水流方向一致,建設(shè)后橋梁阻水比為4.5%。總平面布置圖如圖2所示,宜城大橋平圖如圖3所示,宜城大橋立面如圖4所示。
圖2 總平面布置圖
圖3 宜城大橋平圖
圖4 宜城大橋立面
二維洪水演進(jìn)模型是在二維淺水動(dòng)力學(xué)的計(jì)算方法的基礎(chǔ)上構(gòu)建的。MIKE21軟件在模擬城市洪水二維漫流過程中可以真實(shí)地模擬出水面在道路、小區(qū)、綠地、河道等不同地形狀況下漫流過程。模擬結(jié)果以數(shù)據(jù)、表格、圖像、動(dòng)畫等形式輸出,內(nèi)容包括:洪水水量的空間分布、淹沒范圍、淹沒水深、淹沒歷時(shí)。二維水動(dòng)力學(xué)模型的控制方程包括連續(xù)方程和動(dòng)量方程,其中連續(xù)方程為:
(1)
動(dòng)量方程為:
(2)
(3)
式中,H—水深;Z—水位,Z=H+B,B為地面高程;M、N—x和y方向的單寬流量;u、v—x和y方向上的流速分量;n—糙率系數(shù);g—重力加速度;q—源匯項(xiàng)。
方程沒有考慮科氏力和紊動(dòng)項(xiàng)的影響。
為了高精度分析擬建宜城橋梁建成后對(duì)河道洪水的影響,采用Mike21建立擬建橋梁上下游區(qū)域二維模型。二維模型需要高精度的河道水下地形基礎(chǔ)資料,模型范圍過大將增加工程的測(cè)繪成本。綜合考慮擬建橋梁影響范圍、模型分析成果精度要求及工程經(jīng)濟(jì)成本等因素,二維模型上邊界取自擬建工程上游700m處,下邊界取自工程下游360m處,模擬水域面積約0.099km2。
同時(shí),二維模型需要確定下邊界水位、上邊界洪水、內(nèi)邊界區(qū)間洪水等邊界條件。由于赤石河基本為天然河道,下游入海,合作區(qū)防洪潮規(guī)劃及河道整治規(guī)劃暫未發(fā)布。因此,需從河口往上游推算相應(yīng)工況下河道水面線來確定二維模型下邊界水位。為滿足模型分析成果精度要求,采用Mike11建立赤石河河口至二維模型下邊界段(長14.45km)一維模型,Mike一維模型與逐段試算法、HEC-RAS模型等水面線推算方法對(duì)河道地理特征參數(shù)數(shù)據(jù)要求一樣,僅需要河道斷面(實(shí)測(cè)或規(guī)劃,根據(jù)模擬工況而定)數(shù)據(jù)。
本次模型計(jì)算的步驟包括工程前和工程后,其中工程前的建橋前現(xiàn)狀與規(guī)劃河道邊界結(jié)合的地形條件見表1,而工程后在工程前的基礎(chǔ)上,考慮宜城大橋的橋墩布置,見表2。
表1 一維模型邊界條件情況統(tǒng)計(jì)表
表2 二維模型邊界條件情況統(tǒng)計(jì)表
整個(gè)二維模型計(jì)算區(qū)域剖分采用不同大小的三角形網(wǎng)格劃分方法。經(jīng)過多次劃分和調(diào)整,建立的模型所劃分的網(wǎng)格地形能較真實(shí)地反映河道地形的實(shí)際情況。模型劃分的網(wǎng)格地形如圖5所示,模型研究范圍內(nèi)共布置15284個(gè)三角形網(wǎng)格單元節(jié)點(diǎn)數(shù)7968個(gè)。對(duì)河道行洪斷面內(nèi)橋墩區(qū)域網(wǎng)格加密并將內(nèi)部節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的床面高程修改為工程完工后的地形高程(也可采取直接封堵網(wǎng)格)概化處理,如圖6—7所示。
圖5 工程前網(wǎng)格圖
圖6 工程后網(wǎng)格圖
圖7 工程后擬建工程位置局部網(wǎng)格圖
為了便于分析,在工程附近及其上下游河道布置了60個(gè)采樣點(diǎn),如圖8所示,工程前模擬區(qū)域整體流態(tài)如圖9所示,工程后模擬區(qū)域整體流態(tài)如圖10所示,擬建工程附近流速變化等值線如圖11所示,工程前后水位、流速、流向變化統(tǒng)計(jì)見表3—4。從模擬區(qū)域整體流態(tài)看,赤石河河道流態(tài)平順,局部無急流、旋流等紊亂不利流態(tài)。
圖8 采樣點(diǎn)布置圖
圖9 工程前流場(chǎng)圖
圖10 工程后流場(chǎng)圖
圖11 工程后流速等著線圖
表3 水位變化統(tǒng)計(jì)表(p=0.5%) 單位:m
表4 流速變化統(tǒng)計(jì)表(p=0.5%) 單位:m/s
從工程前后流場(chǎng)對(duì)比圖及流向變化統(tǒng)計(jì)來看,擬建工程建設(shè)后,由于橋墩的阻水束流作用,橋墩附近局部產(chǎn)生繞流,部分測(cè)點(diǎn)流向偏轉(zhuǎn)較大,流場(chǎng)有所變化,32、34、49采樣點(diǎn)位于橋墩附近及近岸處,流向變化較大,其余采樣點(diǎn)流向變化范圍在-10°~6°之間。從工程前后流場(chǎng)對(duì)比圖可以看出,工程前后流場(chǎng)變化較小,河道內(nèi)整體流態(tài)平順,工程對(duì)河道整體流態(tài)及流勢(shì)的影響較小。
根據(jù)工程附近流態(tài)圖及流速變化統(tǒng)計(jì)成果,赤石河200年一遇洪水工況下,工程實(shí)施后,采樣點(diǎn)流速減小最大值為-0.17m/s,流速增加最大值為0.07m/s。根據(jù)工程前后的流速變化等值線圖可以看出,工程對(duì)流速影響范圍整體分布形狀和規(guī)律類似,橋墩前后局部區(qū)域流速減小,相鄰橋墩之間流速有所增加,符合橋墩對(duì)水流的一般性影響規(guī)律。通過工程前、工程后的水位、流速、流向?qū)Ρ缺砜煽闯?,該?xiàng)目在水域內(nèi)立墩對(duì)赤石河的行洪影響較小。由此可見,宜城大橋建設(shè)后,赤石河整體流態(tài)平順,流速變化區(qū)域主要局限在橋址附近,流速變化幅度及影響范圍均不大,擬建工程對(duì)所在河道整體流速、流態(tài)影響不大。
工程后橋墩立于河床,引起河道地形變化。由于橋墩阻水引起過水?dāng)嗝婷娣e的變化,減少了斷面的有效過水寬度,工程建設(shè)將引起工程附近河道的調(diào)整。由于工程后對(duì)河道的流速、流態(tài)變化的影響有限,工程對(duì)河槽形態(tài)變化的影響也局限于該區(qū)域,主要表現(xiàn)在擬建宜城大橋橋墩靠近赤石河左右岸岸坡,流速變化幅度較小。此外,橋墩阻水,橋墩兩側(cè)局部水流發(fā)生紊動(dòng),可能產(chǎn)生局部淘刷、沖深,但局部沖刷和沖深較弱。綜上所述,擬建工程對(duì)灘槽變化的影響較小,僅限于墩周范圍,工程對(duì)所在河道的河勢(shì)穩(wěn)定和岸線變化的影響較小。
本文為評(píng)估擬建復(fù)雜跨河橋梁工程對(duì)河道的防洪影響,依托宜城大橋工程,運(yùn)用Mike 11一維模型及Mike 21二維模型,模擬了赤石河建橋前后河道水流水位、流速及流向的變化。研究結(jié)果表明,200年一遇洪水工況下,最大壅水高度為0.02m;通過工程前、工程后的水位、流速、流向?qū)Ρ缺砜煽闯?,該?xiàng)目在水域內(nèi)立墩對(duì)赤石河的行洪影響較小。宜城大橋建設(shè)后,赤石河整體流態(tài)平順,流速變化區(qū)域主要局限在橋址附近,而對(duì)所在河道整體流速、流態(tài)影響不大。因此,在有限資料條件下采用多模型結(jié)合運(yùn)用,可以低成本高精度完成涉河建設(shè)項(xiàng)目對(duì)河道洪水影響分析計(jì)算。