江湖汇流段特大涉水建筑物行洪影响研究

曹　兵，王海洋（.东营市水利局，山东 东营 5709；.东营市财政局，山东 东营 5709）

江湖汇流段特大涉水建筑物行洪影响研究

曹兵1，王海洋2
（1.东营市水利局，山东 东营 257091；2.东营市财政局，山东 东营 257091）

【摘要】以长江与洞庭湖汇流段拟建某特大桥为例，采用数值模拟手段，分析了修建大桥对汇流段行洪的影响。数值模拟结果表明，特大桥修建对江湖汇流段行洪影响较小。

【关键词】特大涉水建筑物；汇流段；行洪；大桥；数值模拟

长江与洞庭湖汇流段是长江防洪最敏感的河段之一，自古以来就是洪水灾害的多发地区，在此修建特大涉水建筑物必须考虑对汇流段行洪的影响。拟建某特大桥是国家某高速公路岳阳至常德段的控制性工程，跨越长江与洞庭湖汇流段，穿越方案位于湖南省岳阳市七里山附近，东岸为岳阳市区，西岸为岳阳市君山区。大桥桥轴线为东南至西北走向，与主河槽轴线斜交，斜交角度为57°。大桥全长8182m，其中主桥采用2008m双塔双跨悬索桥；河道内布置85座桥墩，设主墩一个，其余为辅墩。

1　　数学模型的建立

1.1控制方程及定解条件

采用基于水深平均的平面二维数学模型来描述水流运动。直角坐标系下水流运动的控制方程为：

水流连续方程：

水流运动方程：

式中：Z为水位；H为水深；u、v为x、y方向的流速；n为糙率系数；g为重力加速度；vT为水流紊动扩散系数，vT=α0u*H，α0=0.2，u*为摩阻流速，

定解条件：包括初始条件与边界条件。边界条件为上游给定垂线平均流速沿河宽的分布，下游给出水位沿河宽的分布。对于岸边界，则采用水流无滑移条件，即取岸边水流流速为零。在计算时，由计算开始时刻上、下边界的水位确定模型计算的初始条件，河段初始流速取为零，随着计算的进行，初始条件的偏差将逐渐得到修正，其对最终计算成果的精度不会产生影响。

1.2数值计算方法

直角坐标系下，水流运动的控制方程可用如下通用形式表示：

式中：φ为通用变量，Γ为广义扩散系数，S为源项。以四边形单元为控制体，待求变量存储于控制体中心。采用有限体积法对控制方程进行离散，用基于同位网格的SIMPLE算法处理水流运动方程中水深和速度的耦合关系。离散后的代数方程组可以写成如下形式：

离散方程组由x方向动量方程，y方向动量方程和水位修正方程三个方程构成，用Gauss迭代法求解线性方程组。

1.3相关问题的处理

由于江湖汇流段水位变化较大，再加上其形态也颇为复杂，要精确反映边界位置的变化是比较困难的。为体现不同水位条件下边界位置的变化，采用了动边界技术，也即将露出单元的河床高程降至水面以下，并预留薄层水深，同时更改单元的糙率，使得露出单元的水流运动速度为零，水深为预留薄层水深，水位值由附近未露出点的水位值外插而得到。

二维数学模型的主要参数是糙率系数，其实际上是一反映水流阻力的综合系数。在本次计算过程中，根据模拟河段本次实测的水文资料及历史水文资料，按曼宁公式计算断面平均糙率，作为初始计算的糙率值，再考虑到糙率随水深有深水区比浅水区糙率小的变化趋势，因此，在模型计算中用节点水深对断面平均糙率进行修正，再根据水位、流场情况对糙率系数进行分段调试。

2　　数学模型的验证

采用汇流段2008-11的同步水文地形资料（长江来水流量12000m3/s，洞庭湖来水流量13100m3/s）进行模拟计算。实测期间在河道内布置了若干断面进行水位及垂线平均流速的测量。

验证计算结果表明，水位的计算值与实测值的误差一般小于3cm；流速的计算值与实测值基本一致，两者的误差一般小于±5%。可见，本文采用的数学模型可准确地模拟汇流段的水流运动，可以用以研究大桥修建对河段行洪的影响。

3　　计算工况与计算结果

3.1计算工况与桥墩处理

采用防洪设计洪水与20年一遇洪水作为计算工况。防洪设计洪水条件下，长江流量为41400m3/s，洞庭湖流量为39400m3/s；而在20年一遇洪水条件下，长江流量为30200m3/s，洞庭湖流量为38100m3/s。为在数学模型中反映拟建工程对河道水流的影响，一方面在网格剖分时尽可能在工程附近对网格进行局部加密，另一方面则采用局部地形修正与局部加糙进行概化处理来反映其影响。

3.2计算结果

1）水位变化情况。在防洪设计洪水条件和20年一遇洪水条件下，在主槽内，水位壅高最大值分别为0.3cm；滩地水位壅高最大值为1.7cm和 1.5cm；汇流段水位降低最大降低值为1.6cm和1.3cm；水位变化大于0.3cm的范围位于工程上游730m和570m，工程下游970m和680m的区域内。总体上说，工程实施后，河道水位的变化主要集中在工程附近的局部区域内，具体表现为工程上游水位壅高，而在其下游水位则有所降低；不同计算工况下，工程修建引起的汇流段水位变化值与变化范围均不大。

2）流速变化情况。在防洪设计洪水条件下，工程实施后，主槽内流速增加，增加值最大为0.03m/s，流速增加0.02m/s的影响范围位于桥位上游960m。在滩地上流速减小的最大值为0.1m/s，水流流速增加的最大值为0.06m/s。对汇流段而言，流速减小0.02m/s的影响范围位于桥位上游约130m及桥位下游约690m的范围内；流速增加0.02m/s的影响范围位于桥位上游约360m及桥位下游约540m的范围内。

在20年一遇洪水条件下，工程实施后，主槽内流速增加，增加值为0.02m/s，影响范围位于桥位上游310m。在滩地上流速减小的最大值为0.08m/s，水流流速增加的最大值为0.04m/s。对汇流段而言，流速减小0.02m/s的影响范围位于桥位上游约100m及桥位下游约560m的范围内；流速增加0.02m/s的影响范围位于桥位上游约290m及桥位下游约430m的范围内。

综上可知，建桥后流速变化主要集中在桥位断面上下游附近的局部区域内，主要表现为桥墩上下游局部区域流速减小，部分区域流速略有增加。

4　结语

计算结果表明，大桥修建引起汇流段的水位最大壅高值为1.7cm，水位最大降低值为1.6cm，水位变化大于0.3cm的最大范围位于工程上游730m、工程下游970m的区域内；大桥修建引起汇流段的流速减小最大值为0.1m/s，流速增加的最大值为0.06m/s，流速变化0.02m/s的最大范围位于工程上游360m、工程下游690m的区域内。综上数据可见，特大桥的修建对该江湖汇流段的行洪影响较小。

（责任编辑赵其芬）

【中图分类号】TV143

【文献标识码】B

【文章编号】1009-6159（2015）-04-0018-02

收稿日期：2015-01-13

作者简介：曹兵（1983—），男，博士，工程师