仙居县城防工程堤线布置优化数值模拟

张金委,王 斌

(1.浙江省仙居新区开发管委会,浙江 仙居 317300;2.浙江省水利河口研究院,浙江 杭州 310020)

1 问题的提出

仙居县位于浙江省东南部,县城位于永安溪中游河谷平原。仙居县城城市防洪工程担负着县城的防洪、排涝等任务,工程实施后城区的防洪标准从现状的5 a一遇提高到近期20 a一遇,远期50 a一遇,从而进一步保证仙居县社会和经济的持续稳定发展。

该工程主要项目包括永安溪和盂溪左右岸防洪堤建设、安洲河段河道裁弯取直及劈山高边坡处理、永安溪河道整治、安洲橡胶坝以及三桥溪排涝闸等6座防洪引水闸建设(见图1)。其中,永安溪石牛村附近左岸石牛大桥至大圣寺防洪堤全长约850 m。根据规划,该堤线横穿石牛村村庄和基本农田区域,同时需对石牛大桥左侧引桥进行2孔扩孔(约65 m),对当地居民正常生活以及工程征地拆迁带来较大困难。为减少工程影响、降低工程投资以及加快工程进度,特对石牛村堤线进行优化数值模拟研究,为工程布置提供技术依据[1]。

图1 堤线平面布置图

2 模型建立及验证

2.1 控制方程及求解方法

沿垂线平均的二维非恒定流数学模型控制方程:

式中:η为水位(m);u、v垂线平均流速分量(m/s);h为水深(m);g为重力加速度(9.81 m/s2);f为柯氏力参数;ρ0为水的密度;τsx、τsy、τbx、τby分别为表面风应力和底部摩擦力;sxx、sxy、syx、syy为辐射应力张量;Txx、Txy、Tyy分别为侧应力;t为时间(s)。

方程(1)为水流连续方程,方程(2)、(3)分别为x、y方向的动量守恒方程,求解采用控制体积法显式迎风模式[2-3]。

2.2 计算范围及网格布置

数学模型全长约27 km,上边界为仙居水文站,下边界至临海柏枝岙水文站。模型内主要支流包括三桥溪、盂溪、桥下溪、朱溪等,计算范围见图2。

模型最大网格边长约50 m,工程区及涉水建筑物附近网格根据实际地形特点渐变加密,最小网格边长约为10 m。整体计算区域网格节点17 907个,单元总数33 863个,局部网格布置见图3。

图2 模型计算范围图

图3 模型计算局部网格图

2.3 模型验证

模型采用2005年的 “罗莎” 台风以及2007年的 “韦帕”台风2场洪水的洪痕调查资料进行验证。其中2005年的“罗莎”台风相当于5 a一遇洪水,验证结果见图4,从图4中可以看出,计算验证点与实测资料差值在0.20 m以内,表明模型的选择、参数的率定等都较为合理,能够满足方案计算的需要[4]。

图4 数学模型验证比较图

3 计算结果

3.1 优化方案

通过分析石牛村附近村庄、农田以及河势分布情况,针对规划堤线提出2种优化方案 (见图1),分别为:优化方案1:大桥处堤防外移50 m(石牛大桥扩孔约1孔),规划堤线左4+049.782 m处外移50.00 m,下游段堤防直线连接于石牛闸出口堤防;优化方案2:大桥处堤防外移65.00 m(石牛大桥不扩孔),规划堤线左4+049.782 m处外移60.00 m,下游段堤防直线连接于石牛闸出口堤防。

3.2 对沿程洪水位影响

通过50 a一遇工况洪水计算,得出各方案洪峰时刻沿程洪水位变化图(见图5)。从图5中可以看出,首先,堤线外移对橡胶坝前洪水位几乎没有影响,下游最远影响到石牛大桥以下500 m附近位置(测8断面);堤线外移后,石牛大桥上游河道水位略有上升,下游则略有降低;其次,优化方案1上游河道主槽最大的水位增幅约0.06 m,而方案2则达到0.12 m左右,增幅为方案1的2倍。

图5 堤线各布置方案洪峰时刻水位变化图

3.3 对沿程流速分布的影响

图6给出了堤线附近河道流速变化等值线图。从图6中可以看出,优化方案橡胶坝前流速分布几乎没有变化。坝下600m断面由于洪水位壅高,相应流速减小0.10 m/s左右,降幅约3.74%;石牛大桥附近受河道主槽缩窄影响,流速基本有所增大,上游50 m断面流速最大增幅为0.15 m/s,下游的测8断面增幅有所减小,最大约0.10 m/s。

图6 堤线各布置方案洪峰时刻流速变化等值线图

4 结 语

本文采用平面二维水流数学模型,对仙居城防工程石牛村左岸的规划堤线及其2个优化方案进行了计算,通过各方案沿程洪水位和流速变化比较,表明石牛村堤线外移65 m方案内对河道行洪的影响不明显,但为尽量减少堤防对行洪的影响,建议石牛大桥堤线尽量控制外移50 m以内。

该优化方案能有效地避免工程实施对石牛村的民房拆迁影响,减少土地占用近2 hm2(30亩),节约工程投资约1 500万元,并为下一步工程设计提供了技术依据。

[1]吴蕾,吕中明,施冯洪,等.仙居县县城城市防洪工程初步设计报告[R].杭州:浙江省水利水电勘测设计院,2003.

[2]包中进,周杰.曹娥江大闸导流堤方案水力学数值模拟 [J].水动力学研究与进展:A辑,2004(S1):948-953.

[3]陈玉璞.流体力学 [M].南京:河海大学出版社,1990.

[4]包中进,徐岗,王斌,等.仙居县城市防洪工程河道模型试验研究报告 [R].杭州:浙江省水利河口研究院,2010.