南寧市新村大道越江橋工程二維水流數(shù)學(xué)模型分析計(jì)算

1、<p>　　南寧市新村大道越江橋工程二維水流數(shù)學(xué)模型分析計(jì)算</p><p>　　摘要： 本文通過對橋梁所在河段建立二維水流數(shù)學(xué)模型，計(jì)算橋梁建成后產(chǎn)生水位、流態(tài)變化，探討利用二維水流數(shù)學(xué)模型分析建設(shè)項(xiàng)目對防洪工程的影響。 </p><p>　　關(guān)鍵詞：二維水流數(shù)學(xué)模型， 壅水 ，流態(tài)變化 </p><p>　　Abstract: this article

2、 through to in 2 d river bridge established flow mathematic model, the calculation of water level, after the completion of the bridge produce flow pattern change, discusses using 2 d water mathematical model for flood co

3、ntrol project construction project analysis of influence. </p><p>　　Key words: a two-dimensional flow mathematic model, backwater, flow pattern change </p><p>　　中圖分類號：K826.16文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號： </p

4、><p><b>　　引言 </b></p><p>　　根據(jù)《河道管理范圍內(nèi)建設(shè)項(xiàng)目防洪評價(jià)報(bào)告編制導(dǎo)則》（試行）要求，在河道管理范圍內(nèi)建設(shè)的項(xiàng)目須編制防洪評價(jià)報(bào)告，報(bào)告主要分析建設(shè)項(xiàng)目對河道產(chǎn)生流態(tài)變化以及壅水影響。通過對建設(shè)項(xiàng)目所在河段建立二維水流數(shù)學(xué)模型，可以計(jì)算出建設(shè)項(xiàng)目對河段產(chǎn)生的流態(tài)和水位變化，從而定量分析建設(shè)項(xiàng)目對現(xiàn)有的防洪工程產(chǎn)生影響。 </p&g

5、t;<p><b>　　一、概況 </b></p><p>　　南寧市新村大道越江橋工程位于清川大橋（四橋）上游2.2km處。橋南岸為陳坡村，橋北岸接西鄉(xiāng)塘老街附近已建成的新村大道。 </p><p>　　大橋結(jié)構(gòu)形式為主橋獨(dú)塔單索面斜拉橋，塔、梁、墩固結(jié)體系。橋梁采用的防洪標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇，橋下構(gòu)橋墩為主要阻水建筑物，河道中布置三個(gè)橋墩，其中主橋獨(dú)塔

6、下橋墩阻水較大，橫向阻水寬10m，形式為雙矩形柱式橋墩，其余兩座引橋橋墩也為雙矩形，縱向長3.75m，橫向?qū)?.0m。 </p><p>　　南寧市防洪工程防洪標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇，右江上游百色水利樞紐建成后，南寧市防洪標(biāo)準(zhǔn)可達(dá)100年一遇；修建老口水利樞紐后，南寧市的防洪標(biāo)準(zhǔn)可達(dá)到200年一遇。新村大道越江橋兩岸的堤防分別為江北西堤和河南西堤，兩段堤防防洪標(biāo)準(zhǔn)均為50年一遇。 </p><p&g

7、t;　　二、二維水流數(shù)學(xué)模型計(jì)算原理 </p><p><b>　　（一）控制方程 </b></p><p>　　二維非恒定運(yùn)動方程為： </p><p><b>　?。?） </b></p><p>　　式中：t——時(shí)間坐標(biāo)； </p><p>　　x、y——縱向、橫向坐標(biāo)

8、； </p><p>　　g——重力加速度； </p><p><b>　　f——柯氏系數(shù)； </b></p><p>　　zy——床面高程； </p><p><b>　　h——垂線水深； </b></p><p><b>　　z——水位； </b>&

9、lt;/p><p>　　u、v——x、y方向的垂線平均流速； </p><p><b>　　n——河床糙率； </b></p><p>　　ε——紊動粘性系數(shù)。 </p><p><b>　?。ǘ┣蠼夥椒?</b></p><p>　　采用邊界擬合坐標(biāo)技術(shù)對模擬區(qū)域進(jìn)行坐標(biāo)變換

10、。坐標(biāo)變換后可將X－Y平面上不規(guī)則的物理區(qū)域變換為坐標(biāo)系下的矩形區(qū)域。變換關(guān)系如下： </p><p><b>　?。?） </b></p><p>　　式中，P、Q為調(diào)節(jié)函數(shù)。坐標(biāo)系下的水動力方程為: </p><p><b>　?。?） </b></p><p><b>　　式中， &

11、lt;/b></p><p>　　用有限差分解法對變換后的方程（3）進(jìn)行離散，采用交錯(cuò)網(wǎng)格技術(shù)，采用ADI法對方程組進(jìn)行數(shù)值求解，計(jì)算得到各個(gè)控制節(jié)點(diǎn)的水位、垂線平均流速。采用ＡＤＩ（Alternating Direction Implicit）法求解。 </p><p>　　三、模型的率定和計(jì)算方法 </p><p>　　模型的上邊界條件為流量，下邊界條件為

12、水位，模型糙率率定的方法一是根據(jù)一維數(shù)學(xué)模型選定的糙率作為初始值，計(jì)算河段長為1811m，通過計(jì)算其上邊界條件水位的平均值與一維成果基本相同，絕對誤差小于1cm；二是根據(jù)實(shí)測洪痕資料進(jìn)行分析，本次以2001年邕江實(shí)測水位流速進(jìn)行比對，模型計(jì)算出的水位成果和實(shí)測的一致，南寧水文（三）站位于本次分析計(jì)算河段范圍內(nèi)，模型計(jì)算出的相應(yīng)斷面水位和實(shí)測水位是一致的，計(jì)算的流速大小、分布和水文站實(shí)測值基本一致，誤差均小于5%，由此率定出的河段糙率作為

13、本次分析計(jì)算的依據(jù)。 </p><p>　　四、計(jì)算單元網(wǎng)格劃分 </p><p>　　二維水流數(shù)學(xué)模型計(jì)算河段長1811m，平均計(jì)算河寬490m，計(jì)算區(qū)域面積約543150m2，河道縱向（I）從上至下不等距地劃分101格，其中本工程區(qū)較密，平均為6m，工程區(qū)外略疏，從上到下排序，1為上游，101為下游，河道橫向（J）等距地劃分100格，從右岸到左岸排序，1為右岸，100為左岸，平均間距約

14、為4.9m，為100×101=10100個(gè)計(jì)算網(wǎng)格，總共10100個(gè)結(jié)點(diǎn)，其中建設(shè)項(xiàng)目位于斷面I=61#～70#，流態(tài)計(jì)算單元網(wǎng)格結(jié)點(diǎn)即為流速矢量圖流速矢量箭桿的起點(diǎn)，見圖4－1。 </p><p>　　水流計(jì)算，上游邊界采用流量邊界條件，根據(jù)謝才公式按加權(quán)法計(jì)算得到入流邊界每個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)的垂線平均流速；下游邊界采用水位邊界條件，其水位采用一維水面曲線推算至二維計(jì)算下邊界，得到下游每個(gè)節(jié)點(diǎn)的水位。 <

15、;/p><p>　　圖4-1 河段計(jì)算網(wǎng)格 </p><p><b>　　五、邊界條件 </b></p><p>　　二維水流數(shù)學(xué)模型計(jì)算邊界分上下邊界，上邊界為設(shè)計(jì)洪峰流量，下邊界為水位，本次邊界采用《廣西南寧市防洪工程河南東堤初步設(shè)計(jì)報(bào)告》，見表5-1。 </p><p>　　表5-1二維水流數(shù)學(xué)模型邊界條件表（P=2%

16、） </p><p><b>　　流量 水位 </b></p><p>　　19100 80.34 </p><p>　　六、計(jì)算成果及分析 </p><p>　?。ㄒ唬┕こ探ㄔO(shè)前后壅水計(jì)算成果及分析 </p><p>　　根據(jù)水位計(jì)算成果，確定二維水流流態(tài)計(jì)算范圍為1811m長的河段，采樣點(diǎn)水位

17、變化見表6-1。當(dāng)邕江該河段發(fā)生50年一遇洪水流量為19100m3/s(歸槽)，計(jì)算結(jié)點(diǎn)I=45、J=22處（位于橋梁所在河道斷面上游115m）水位壅水最高，為0.04m。河道兩岸附近產(chǎn)生最高壅水為0.013m。50年一遇設(shè)計(jì)洪水壅水影響長度約為橋梁所在斷面上游825m。 </p><p>　　（二）流態(tài)分析計(jì)算 </p><p>　　特征流速、流向變化統(tǒng)計(jì)成果見表6-2。邕江在工程區(qū)河道

18、比較順直。從流態(tài)圖可以看出，河道主槽流速比較大，50年一遇設(shè)計(jì)洪水的最大流速達(dá)2.329m/s，而兩岸附近的流速則較小，流速小于1.0m/s。工程建設(shè)后由于橋墩阻水，橋墩橫向兩側(cè)流態(tài)變化較大，兩側(cè)流速增大，橋墩迎水側(cè)流速變小，背水側(cè)出現(xiàn)紊流，流速變小，工程區(qū)域附近發(fā)生頻率P=2%設(shè)計(jì)洪水時(shí)，最大流速增加值為0.101m/s（位于橋梁右墩和右岸河南西堤之間，距離右岸25m）。工程建設(shè)前后流態(tài)分布見圖6-1、圖6-2。 </p>

19、<p>　　圖6-1 P=2%設(shè)計(jì)洪水河段流態(tài)圖（工程建設(shè)前） </p><p>　　圖6-2 P=2%設(shè)計(jì)洪水河段流態(tài)圖（工程建設(shè)后） </p><p>　　表6-1工程前后水位變化統(tǒng)計(jì)表(P=2%) </p><p>　　表6-2工程前后流速、流向變化統(tǒng)計(jì)表(P=2%) </p><p>　　（三）橋梁建設(shè)對防洪工程的影響

20、</p><p>　　橋梁建成后對河道兩岸防洪工程影響主要為壅水和流態(tài)變化。橋梁建成后兩岸防洪堤附近產(chǎn)生最高壅水僅1.3cm（見表6-1），工程產(chǎn)生壅水不大，不會改變河道兩岸工程的防洪標(biāo)準(zhǔn)；流速最大增加了0.101m/s，兩岸防洪堤均有防護(hù)措施，而且工程建設(shè)后兩岸的流速較?。ㄐ∮?m/s），因此流態(tài)變化對防洪工程影響較小。 </p><p>　　盡管橋梁建設(shè)產(chǎn)生的壅水和流態(tài)變化對兩岸防洪堤

21、影響不大，但是由于部分橋墩是設(shè)在防洪堤迎水面的堤腳，施工時(shí)將破壞堤腳的原狀土，而且橋梁建成后，橋墩迎水側(cè)以及橋墩南北兩側(cè)將產(chǎn)生沖刷，因此在橋梁建成后應(yīng)恢復(fù)原狀土，修建在防洪堤堤腳的橋墩15m范圍內(nèi)應(yīng)進(jìn)行防護(hù)。 </p><p><b>　　七、結(jié)論 </b></p><p>　　二維定床數(shù)學(xué)模型的參數(shù)經(jīng)過實(shí)測水面線以及水文站實(shí)測流速成果率定，模型能較準(zhǔn)確的模擬河段水流

22、流態(tài)，分析出建設(shè)項(xiàng)目對河道流態(tài)、水位影響，成果合理。 </p><p>　　從計(jì)算成果分析可以看出，建設(shè)項(xiàng)目造成的流態(tài)、水位變化對兩岸防洪工程影響不大，但是對防洪堤腳穩(wěn)定是有一定影響的，通過采取防護(hù)措施，可以減少建設(shè)項(xiàng)目對防洪工程影響。 </p><p><b>　　【參考文獻(xiàn)】 </b></p><p>　　[1]廣西珠委南寧勘測設(shè)計(jì)院 《廣