南四湖特大桥防洪评价的数值模拟

刘莉莉，巩向锋，桑国庆

（1.山东省水利科学研究院，山东 济南250014；2.山东省水资源与水环境重点实验室，山东 济南250014；3.济南大学,山东 济南250022）

拟建日照（岚山）至菏泽公路横贯鲁南、鲁西南地区，是山东省“八纵四横一环八连”高速公路网中“一环”的组成部分。该项目东起日照市岚山区，向西经临沂、枣庄、济宁、菏泽5 市16 个县（市、区），横贯了整个“鲁南经济带”，止于菏泽市境内，全长约400 km。南四湖特大桥位于南四湖大断面桩号26K+000 左右处，本文采用沂沭泗河洪水东调南下工程的规划成果，利用2000 年测绘的南四湖1∶10 000 水下地形，结合桥梁设计单位测绘的1∶5 000 带状地形图，选取湖内桩号23K+000～29K+000 断面之间的湖区作为模型上、下游边界；利用DHI mike21 软件，建立二维非恒定流水力学数学模型，分析桥墩对湖区水位、流速等参数的影响。

1 模型边界及网格划分

1.1 模型范围

南四湖特大桥湖东跨越点在济宁市微山县两城镇黄山村与白沙村之间，此段无堤防；湖西跨越点在济宁市鱼台县张黄镇西王庄南300 m处；位于南四湖大断面26 km 左右处。为了能准确反映工程对湖内行洪能力影响，选取湖内23K+000～29K+000 断面之间的湖区作为模型上、下游边界；模型左边界为京杭运河西航道堤防，右边界为湖东堤，上游设置白马河入流边界。

1.2 资料提取

按照传统的一维水力学模型只能得到南四湖特大桥所在26K+000 断面的平均水位与流量，无法进一步对行洪道、航道、南阳岛等西部区域进一步评价，无法满足2004 年水利部制定的《河道管理范围内建设项目防洪评价报告编制导则》（试行）有关要求。为此，本文利用2000 年测绘的南四湖1∶10 000 水下地形图，结合桥梁设计单位测绘的1∶5 000 带状地形图，对1∶10 000 水下地形图航道及行洪道区域高程进行了修正。采用沂沭泗河洪水东调南下工程的规划成果，建立了桥梁所在局部区域的二维非恒定流水动力学模型进行调算。

对整个研究区域划分网格，其中对局部区域进行加密处理，最小网格0.2 m2，网格总计37 481 个。根据设计图纸对南四湖特大桥桥墩进行概化，桥墩直径为1.3～1.8 m，桥墩尺寸与数模网格尺寸相比而言较小，桥墩阻水较小。

1.3 边界条件

1）计算条件。采用沂沭泗河洪水东调南下工程湖内工程规划中设计洪水计算数据。采用1957年典型洪水计算，利用“三湖两河”模型及“树状河网”模型，根据对防洪最不利原则确定二维模型上、下游边界条件。上游边界：23K+000 断面处湖区流量为3 600 m3/s，白马河流量为400 m3/s；下游边界：29K+000 断面处水位36.8 m。根据边界条件，分别对现状工况和桥墩工况进行模拟。

2）糙率选定。糙率与地面的粗糙程度及地表阻水特征有关。根据湖内的深槽、湖草、地物、芦苇等分类，分别选取不同的糙率值。

2 模型水力参数计算

2.1 工程建设前后区域整体流场计算

通过二维水动力学模型，分别计算工程建设前后两种工况下，工程区域内的整体流场分布，提取指定位置的流量、流速及水位参数。工程建成后区域内水深分布、流速分布、建筑（沉淀池）阻水分别见图1～3。

图1 水深分布图

图2 流速分布图

图3 建筑阻水示意图

由计算成果可以看出：1）1957 年洪水工况南四湖行洪时，由于水位提高，湖区行洪水面范围较大，且受制于下游工程流量控制，湖内流速较为缓慢；航道、浅槽等过水通道内流速相对较大。2）工程阻水面积相对湖区面积来说较小，工程建设前后对湖内整体流速、水位变化影响较小。

2.2 工程建设前后上游断面水力参数变化分析

1957 年洪水情况下，针对工程建设前后两种工况，分析南四湖特大桥上游5 m、25 m、50 m 断面处的水位、流速、流量参数变化情况。

1）流量及流速变化分析。以南四湖特大桥上游5 m 处断面为例，分别计算工程建成前后断面上各部分的流量及流速分布，见表1。由表1 可知：工程建设后对流量及流速影响较小。

2）桥墩壅水分析。1957 年洪水情况下，拟建工程在上游5～50 m 范围内引起的壅水高度在0.001～0.003 m，即工程引起水位壅高的范围局限在工程附近50 m 范围内，工程建设对南四湖上级湖行洪影响较小。南四湖特大桥上游5 m 处断面壅水水位见表2。

2.3 断面阻水分析

根据二维水动力学模拟成果，在南四湖特大桥上游5 m 处截取断面，分析桥墩对断面过流阻水作用。1）建桥前，该断面处水位为36.85 m 时，过水面积为384 100 m2。2）建桥后，该断面处水位为36.85 m 时，墩柱阻水面积为1 524 m2，过水面积为382 576 m2，工程对该断面的阻水比例为0.39%。

表1 不同断面流量及流速（桥址上游5 m 处断面）

表2 壅水水位表（桥址上游5 m 处断面） m

3 结 语

1）1957 年洪水情况下，拟建工程在上游5～50 m处引起的壅水高度在0.001～0.003 m 以内，即工程引起水位变化的范围局限在工程附近50 m 范围内。工程建设对南四湖上级湖行洪影响较小。

2）1957 年洪水工况南四湖行洪时，由于水位抬高，湖区行洪水面范围较大，且受制于下游工程流量控制，湖内流速较为缓慢；航道、浅槽等过水通道内流速相对较大。工程阻水面积相对湖区过水断面面积比例（0.39%）较小，工程建设前后对湖内整体流速、水位变化影响较小。